Системы цикловой синхронизации и стабилизации генераторов в частотно-временной аппаратуре тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, доктор наук Акулов Виктор Васильевич

• Акулов Виктор Васильевич
• доктор наук
• 2019

Оглавление диссертации доктор наук Акулов Виктор Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ ЛОГИЧЕСКОГО

ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ

1.1 Введение. Постановка исследовательских задач

1.1.1 Методы и измерительная аппаратура функционального контроля цифровых каналов связи

1.1.2 Методы, средства, технические характеристики измерительной аппаратуры функционального контроля цифровых каналов связи

1.1.3 Типовые функциональные характеристики и параметры генератора теста, канала связи, подстраиваемого генератора эталонных сигналов в составе системы синхронизации анализатора ошибок

1.1.4 Типовая структурная схема измерительной аппаратуры функционального контроля цифровых каналов связи

1.1.5 Упрощенная структурная схема системы синхронизации

1.1.6 Типовые функциональные характеристики и параметры системы синхронизации

1.1.7 Постановка задачи по разработке новой математической модели системы синхронизации генераторов псевдослучайной последовательности

1.1.7.1 Недостатки существующих методов и средств функционального контроля цифровых каналов связи, необходимость постановки и исследования новых теоретических и практических задач

по совершенствованию систем синхронизации

1.1.7.2 Обеспечение полноты контроля

1.1.7.3 Упрощенная структурная схема системы синхронизации на базе ПСП МД теста

1.1.7.4 Математическая модель системы синхронизации в измери-

тельной аппаратуре функционального контроля цифровых каналов связи

1.2 Теоретическое исследование работы системы синхронизации ПСП в системе контроля ошибок в канале связи при отсутствии шумов и помех

1.2.1 Уравнение динамики и условие синхронизации

при матрице Ьг =

1.2.2 Примеры работы систем синхронизации. Системы, синхронизирующиеся при векторах обратных связей генераторов с С1=

1.2.3 Системы, синхронизирующиеся при векторах обратных

связей генераторов с С 1=1

1.2.4 Универсальные системы синхронизации

1.2.5 Справедливость условия синхронизации при переходе

в другую систему координат

1.2.6 Анализ условия синхронизации в общем случае. Теоретическая оценка времени входа системы в синхронизм

1.3 Условие синхронизации при Ь{ Ф

1.4 Система синхронизации суммы двух и более ПСП

1.5 Сокращение времени входа системы в синхронизм

1.6 Синтез систем синхронизирующихся генераторов ПСП

1.7 Выводы и рекомендации

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ СИСТЕМЫ СИНХРОНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ ПСП В СИСТЕМЕ КОНТРОЛЯ ОШИБОК В КАНАЛЕ СВЯЗИ С УЧЁТОМ ДЕЙСТВИЯ ПОМЕХ И ШУМОВ

2.1 Уравнения динамики системы синхронизации генераторов

ПСП и условие синхронизации с учетом воздействия шума и помех

2.2 Обоснование возможности измерения коэффициента ошибок произвольного уровня. Формулы пересчета измеряемого коэффициента

ошибок в сигнале Л(1) в коэффициент ошибок входной последовательности

для независимых ошибок

2.3 Формулы пересчета коэффициента ошибок для зависимых ошибок

2.4 Некоторые эквивалентные схемы реализации системы синхронизации генераторов ПСП

2.5 Методы проектирования генераторов ПСП - анализаторов ошибок каналов связи на основе систем синхронизации генераторов ПСП

2.5.1 Определение требований к системе синхронизации генераторов ПСП на основе общих требований к измерительной аппаратуре функционального контроля каналов связи

2.5.2 Расчет основных характеристик системы синхронизации генераторов ПСП

2.5.2.1 Выбор элементов и схемы для реализация системы синхронизации генераторов ПСП

2.5.2.2 Выбор способа работы - без пересчета / с пересчетом

и числа разрядов регистров сдвига генераторов ПСП

2.5.2.3 Выбор структуры генераторов ПСП системы синхронизации и проверка условий синхронизации

2.5.2.4 Расчет формул пересчета при произвольном выборе вектора обратной связи генераторов ПСП

2.5.2.5 Расчет погрешности измерения коэффициента ошибок

2.5.3 Методы оптимизации структуры системы синхронизации генераторов ПСП

2.6 Экспериментальные исследования и моделирование системы синхронизации генераторов ПСП, внедрение

2.6.1 Выбор и обоснование способов экспериментального исследования и моделирования

2.6.1.1 Стенд для отладки систем синхронизации генераторов ПСП

2.6.1.2 Метрологическое обеспечение логического функционального

контроля каналов связи на основе стенда отладки систем синхронизации

генераторов ПСП

2.6.1.3 Методы математического моделирования. Примеры машинного моделирования систем синхронизации генераторов ПСП

2.6.2 Методика измерения коэффициента ошибок малого уровня

2.6.3 Методика измерения коэффициента ошибок, порождаемых шумом, произвольного уровня

2.6.4 Метод измерения коэффициента ошибок, порождаемых коррелированным шумом

2.6.5 Измерение времени входа в синхронизм генераторов ПСП

2.6.6 Измерение времени входа системы синхронизации генераторов ПСП в режим измерения коэффициента ошибок

2.6.7 Внедрение и другие возможные применения систем синхронизации генераторов ПСП

2.6.7.1 Технические характеристики новых детекторов ошибок в генераторах ПСП -анализаторах кодовых последовательноей

2.7 Выводы

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПОГРЕШНОСТИ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ ПО ЭТАЛОННЫМ СИГНАЛАМ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ

3.1 Введение

3.2 Методы и средства поверки измерительной частотно-временной аппаратуры

3.2.1 Методы, средства, технические характеристики измерительной аппаратуры поверки стандартов частоты и времени

3.2.2 Типовые функциональные характеристики и параметры аппаратуры поверки стандартов частоты и времени и частотно-измерительных приборов по эталонным сигналам частоты и времени, передаваемым

по ДВ радиоканалам связи

3.3 Постановка задачи по разработке новой математической модели системы синхронизации электронных часов. Алгоритмы помехозащищённости

3.4 Математическая модель системы синхронизации электронных часов по эталонным сигналам времени

3.5 Оценка эффективности синхронизации электронных часов

по эталонным сигналам времени

3.6 Выводы

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТИ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ СИГНАЛОВ АППАРАТУРЫ ПОВЕРКИ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ ГЛОНАСС/GPS

4.1 Введение

4.2 Типовые функциональные характеристики и параметры аппаратуры поверки стандартов частоты и времени и частотно-измерительных приборов по сигналам ГЛОНАСС/GPS

4.3 Упрощенная структурная схема системы синхронизации приемника-компаратора сигналов ГЛОНАСС/GPS

4.4 Математическая модель фазово-временного метода приемника-компаратора сигналов ГЛОНАСС/GPS

4.5 Оценка погрешности измерения относительной отстройки частоты высокостабильных генераторов приемником-компаратором

по сигналам ГЛОНАСС/ GPS

4.5.1 Анализ погрешности измерения относительной отстройки частоты поверяемых генераторов различных алгоритмов синхронизации

в приёмниках-компараторах сигналов ГЛОНАСС/GPS

4.5.2 Математическая модель системы синхронизации приемника-компаратора

4.5.3 Компьютерное моделирование системы синхронизаии приемника-компаратора сигналов ГЛОНАСС/GPS

4.5.4 Экспериментальное определение погрешности формирования

шкалы времени приемника-компаратора сигналов ГЛОНАСС/ОРБ

4.5.5 Результаты экспериментальных исследований относительной нестабильности расхождения эталонных шкал времени и шкалы времени приемника-компаратора ЧК7-56

4.6 Выводы

ГЛАВА 5. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ. ВНЕДРЕНИЕ И ДРУГИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ СИГНАЛОВ

5.1 Вводные замечания

5.2 Системы синхронизации генераторов ПСП в системах функционального контроля телевизионных каналов связи

5.3 Системы синхронизации генераторов ПСП в системах функционального контроля протоколов обмена сигналами

в телефонных каналах связи

5.4 Внедрение новых систем синхронизации генераторов ПСП

в промышленной СБИС

5.5 Синхронометр ЧК7-50

5.6 Приёмник-компаратор ЧК7-54

5.7 Приёмник-компаратор ЧК7-56

5.8 Автоматизированные измерительные комплексы поверки частотно-измерительной аппаратуры 14Б328, К6-12

5.9 Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список используемых сокращений

Список основных обозначений

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Системы цикловой синхронизации и стабилизации генераторов в частотно-временной аппаратуре»

Актуальность темы диссертации

Системы цикловой синхронизации и стабилизации генераторов цифро-аналоговых сигналов широко используются при проведении многих современных радиотехнических измерений, в том числе в системах контроля цифровых каналов связи (ЦКС), системах единого времени (СЕВ), радионавигации, при поверке высокоточных стандартов частоты и времени и многих других.

Основными требованиями, предъявляемыми к современным системам радиосвязи и радионавигации, являются высокая надежность и качество передачи информации. Обеспечение этих требований возможно при постоянном и объективном контроле параметров и характеристик качества ЦКС на различных этапах разработки, производства и эксплуатации. ЦКС являются неотъемлемой частью всех систем связи, где применяется модуляция несущих электромагнитных колебаний цифровым (двоичным) дискретным сигналом (цифровые спутниковые, волоконно-оптические и другие системы связи). Создание эффективных систем контроля качества ЦКС включает в себя решение ряда измерительных задач: генерирования цифровых тестовых сигналов, формирования радиосигналов с различными видами модуляции и манипуляции, формирования помех, преобразования сигнала с промежуточной частотой в рабочий диапазон частот и обратно, анализа радиосигналов, демодуляции сигналов, анализа тестовых сигналов, диагностирования и самодиагностирования как систем связи, так и систем их контроля.

Предпосылками для исследования в указанной области являлись: отсутствие простой, но адекватной математической модели (ММ) системы синхрони-зации(СС) двух связанных генераторов тестовой псевдослучайной последовательности (ПСП) в измерительной аппаратуре (ИА) логического функционального контроля (ЛФК) ЦКС; отсутствие условий, устанавливающих необходимые для синхронизации систем связанных генераторов ПСП соотношения между их параметрами, структурой взаимных связей и начальными состояниями; не гарантировалась возможность измерения коэффициента ошибок (Кош)

произвольного уровня (от 0 до 1); ввиду сложности и вероятностного подхода к оценке параметров СС не были определены методы проектирования СС и измерителей ошибок для промышленной ИА контроля ЦКС с повышенными техническими характеристиками, лишённой указанных выше недостатков.

В связи с этим задача анализа динамики СС ПСП с учетом влияния шума в измерительной аппаратуре ЛФК ЦКС является актуальной.

Следующей обширной и важной областью использования СС являются системы единого времени и часофикации. При решении ряда научно-технических и производственных задач требуется синхронный отсчет времени в различных пространственно-разнесенных пунктах. Источником информации о времени являются базовые электронные часы с высокостабильным опорным генератором. От них информация о времени поступает в пункты назначения в виде последовательного кода времени в составе эталонного сигнала частоты и времени (ЭСЧВ), передаваемого радиостанциями Государственной службы частоты и времени. На приемном конце такой системы передачи информации необходимо произвести демодуляцию сигнала и декодирование принятой информации.

На трассе распространения радиосигнал искажается шумом, поэтому для обеспечения помехозащищенности в аппаратуре приема ЭСЧВ применяются различные алгоритмы синхронизации внутренних часов, включая простейшую проверку на четность, и разработанные в последнее время более сложные нелинейные алгоритмы синхронизации часов, которые успешно используются в серийной аппаратуре. Эффективность работы алгоритма обычно определяется через величину отношения вероятности ошибки в кодовом слове на выходе схемы алгоритма к вероятности ошибки в кодовом слове на его входе. Однако, до настоящего времени не были введены критерии, учитывающие время переходных процессов, а из-за сложности и разноплановости реальных объектов не определены методы оценки эффективности СС электронных часов в СЕВ по ЭСЧВ для сравнения и оптимального выбора различных алгоритмов синхронизации. Поэтому, одной из целей данной работы является относительное сравнение эффективностей нескольких указанных выше алгоритмов, которое впервые проведено на унифици-

рованных и упрощенных ММ. При этом целесообразно применение методов теории динамических систем, которые при случайных воздействиях сводятся к методам теории цепей Маркова.

Другой важной и актуальной областью использования СС является их применение в частотно-временных измерениях, особенно связанных с использованием сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) ГЛОНАСС/GPS. Большой вклад в современные исследования, теорию, развитие и использование указанных измерений, особенно связанных с разработкой высокоточных квантовых (водородных и рубидиевых) стандартов частоты и времени, синтезаторов частот, частотомеров и другой аппаратуры, внесли отечественные учёные А.А. Ульянов, А.И. Пихтелев, Н.А. Демидов, Г.П. Пашев, Н.П. Ямпурин, О.П. Павловский, Б.А. Сахаров и др. В настоящее время появилась возможность проведения поверки удаленных стандартов частоты и времени (СЧВ) по сигналам СРНС ГЛОНАСС/GPS. Принимая сигналы ГЛОНАСС с помощью соответствующей навигационной аппаратуры потребителей (НАП), можно синхронизировать местные (наземные) шкалы времени (ШВ) со шкалой координированного времени UTC(SU) государственного первичного эталона с погрешностями в сотни наносекунд и менее. Кроме того, с помощью этих же сигналов СРНС ГЛОНАСС могут быть определены (установлены) действительные значения частот наземных генераторов, относительные погрешности которых составляют ± 2 10-11 и менее. Следует отметить, что приведенные выше характеристики являются «гарантированными» для ГЛОНАСС, фактически же могут быть получены и более высокие точ-

1 9

ности до ± 2 10- и менее.

Несмотря на широкое использование приёмников СРНС и всестороннюю проработку алгоритмов их использования, до настоящего времени не было разработано достаточно простой, но адекватной и точной ММ приёмника-компаратора (ПК) сигналов СРНС, учитывающей специфику (большое время измерения и высокая точность) сличения частот и ШВ, что в свою очередь препятствовало разработке промышленных ПК на уровне и выше лучших мировых образцов и их широкому использованию.

Задачи, поставленные и решённые в диссертации, направлены на развитие и совершенствование СС в указанных областях, разработку принципиально новых методов и средств синхронизации, их теоретическое обоснование, разработку на их основе и внедрение в промышленное производство серии новых радиоизмерительных приборов двойного назначения с улучшенными и качественно новыми характеристиками, что является важной задачей по метрологическому обеспечению частотно-временной измерительной техники Вооружённых Сил РФ, укреплению обороноспособности государства и повышению эффективности производства.

Система синхронизации определяет все основные характеристики измерительных устройств контроля ЦКС и частотно-временной аппаратуры.

Ц е л ь д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы состоит в создании и обосновании теоретических основ проектирования высокоточной частотно-временной измерительной аппаратуры на базе систем цикловой синхронизации и стабилизации генераторов цифровых и аналоговых сигналов для метрологического обеспечения работы служб как гражданских, так и оборонных предприятий.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих п р о б л е м и н а у ч н о - т е х н и ч е с к и х задач:

- разработка математических моделей систем цикловой синхронизации и стабилизации генераторов цифровых и аналоговых сигналов и создание научной основы для их использования;

- разработка принципов построения систем цикловой синхронизации и стабилизации генераторов цифровых и аналоговых сигналов;

- определение условий, устанавливающих необходимые для синхронизации генераторов ПСП соотношения между их параметрами, структурой связей и начальными состояниями; определение времени входа в синхронизм; теоретическое обоснование возможности измерения Кош произвольного уровня;

- разработка СС ПСП для промышленных измерителей Кош с уменьшенным временем готовности режима измерения Кош и измеряемым Кош произвольного

уровня;

- разработка математической модели системы синхронизации часов, которая допускает унифицированный анализ различных алгоритмов синхронизации часов; единый унифицированный подход с применением методов теории динамических систем и теории конечных цепей Маркова позволит провести сравнение эффективности работы нескольких различных алгоритмов синхронизации часов. Такое сравнение позволяет оценивать помехозащищенность алгоритмов и выбирать наиболее лучшие; методика, изложенная в работе, может быть полезна при анализе алгоритмов синхронизации не только электронных часов, но и других приемников синхронизирующих сообщений;

- расчет финальных вероятностей состояний и эффективности нескольких алгоритмов синхронизации часов;

- определение соотношений эффективностей разных алгоритмов в зависимости от вероятности ошибки во входном кодовом слове. Определение средних времен достижения правильного показания синхронизируемых часов для различных рассмотренных алгоритмов;

- разработка СС приёмника-компаратора сигналов ГЛОНАСС/GPS; выбор оптимальных параметров СС приёмника-компаратора.

Кроме основных, ставятся дополнительные задачи:

- разработка подходов к оптимальному выбору СС,

- разработка СС с возможностями измерения многомерной функции распределения вероятностей ошибок, диагностирования систем цифровой связи, использования нелинейных периодических тестовых последовательностей и другими.

Методы исследования основаны на методах теории динамических систем (ДС), теории вероятностей. В работе используются аппараты дискретной математики, линейной алгебры и математического анализа для получения теоретических результатов, а также моделирование на ПЭВМ и макетирование при экспериментальных исследованиях.

Н а у ч н а я н о в и з н а работы заключается в следующем:

1. Предложена ММ СС двух связанных генераторов ПСП в ИА ЛФК ЦКС в форме разностных уравнений динамики с параметрами, переменными и операциями, определенными для дискретных двоичных сигналов (в поле Галуа GF(2)). Определены условия, устанавливающие необходимые для синхронизации систем связанных генераторов ПСП соотношения между их параметрами, структурой взаимных связей и начальными состояниями. Получены численные значения времени входа системы в синхронизм при выполнении условий синхронизации в зависимости от начальных состояний и оценка максимального времени входа в синхронизм независимо от начальных состояний.

2. Установлена связь между характеристиками ошибок в канале связи и измеряемого в системе сигнала ошибки, позволяющая получить калибровочные соотношения для измерения коэффициента ошибки. Обоснованы возможность и условия измерения коэффициента ошибок произвольного уровня без размыкания цепи обратной связи СС после проверки установления синхронизма в отсутствие ошибок и определено время готовности режима измерения.

3. Предложены методы проектирования СС и измерителей ошибок для промышленной ИА контроля ЦКС, основанные на разработанной системе классификации схем синхронизации по требуемым характеристикам обратных связей как парциальных генераторов ПСП, так и способов связи между генераторами; на расчете калибровочных характеристик, устанавливающих соотношения между коэффициентом ошибок в канале связи и коэффициентом шума сигнала ошибки; на возможности измерения многомерных функций распределения и условных вероятностей ошибок.

4. Предложена марковская ММ СС электронных часов и метод оценки эффективности СС электронных часов по ЭСЧВ как по подавлению помех, так и по времени входа в синхронизм. Показано, что при больших значениях числа состояний управляющего автомата д(д = 4) и малых вероятностях ошибки (р ^ 0)

более предпочтительным на практике из рассмотренных СС является вариант со схемой сравнения типа ИЛИ, использованный при разработке серийных синхронизируемых по радиоканалу электронных часов - синхронометра ЧК7-50.

5. Предложена ММ СС приёмника-компаратора сигналов СРНС.

П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь р а б о т ы

Разработанная математическая модель СС ПСП и прикладная направленность результатов позволили предложить эффективные меры и технические решения, существенно сокращающие время входа в синхронизм и повышающие значение измеряемого Кош и другие технические характеристики ИА контроля ЦКС (экономичность, быстродействие, новые функциональные возможности и т. д.), а также новые методы оптимального проектирования СС.

Теоретическое обоснование возможности измерения Кош произ-вольного уровня и теоретическая оценка времени входа СС в синхронизм (без ошибок из-за шума) и в режим измерения (при среднем и большом уровне ошибок, вызванных шумом) послужили основой для разработки комплекта детекторов ошибок (ДО) с возможностью измерения Кош в диапазоне от 0 до 1, с временем входа в синхронизм в 1,5-10 раз меньшим, чем в выпускаемых в настоящее время серийных измерителях Кош, и временем входа в режим измерения (при среднем и большом уровне шума), которое составляет п тактовых периодов, где п - число разрядов регистра сдвига (РС) генераторов ПСП (ГПСП).

На основе теоретических результатов разработаны ДО с возможностью диагностирования систем цифровой связи (СЦС) и использования для ЛФК периодических тестовых последовательностей любой структуры, предложены схемы СС, синхронизирующиеся и несинхронизирующиеся в зависимости от вида вектора обратной связи генераторов, которые можно применять в зависимости от конкретной цели.

Разработаны промышленные синхронометры ЧК7-50 с возможностью помехоустойчивого приёма ЭСЧВ в длинноволновом (ДВ)-диапазоне и точной автоматической синхронизации формируемой ШВ с ШВ Госэталона. Разработаны

и сертифицированы, как средства измерения (СИ) военного назначения (ВН)

измерительные ПК сигналов ГЛОНАСС (GPS) на основе новых СС с

1/2

уменьшенной в (N/4) погрешностью измерения относительной отстройки частоты и возможностью измерения кратковременной нестабильности частоты не уступающие или превосходящие по основным параметрам зарубежные аналоги.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований являются обобщением и развитием результатов, полученных автором при проведении в 1989-2016 г.г. НИР и ОКР, направленных на исследование новых ММ и характеристик сложных сигналов, методов их идентификации, измерения и прогнозирования для использования в целях развития радиоизмерительной техники (РИТ); на разработку методов и средств синхронизации сложных сигналов, используемых в аппаратуре приёма ЭСЧВ и в автоматизированных измерительных системах (АИС) для поверки частотно-измерительной аппаратуры с повышенной метрологической автономностью в войсках космической и противовоздушной обороны России; а также в учебном процессе на филиале кафедры радиотехники радиофизического факультета ННГУ им. Н.И. Лобачевского в ННИПИ «Кварц».

Оригинальность и полезность всех упомянутых технических решений подтверждены 22-мя авторскими свидетельствами СССР, патентами РФ на изобретения и свидетельствами и патентами на полезную модель.

О б о с н о в а н н о с т ь научных положений, выводов и практических рекомендаций обеспечивается:

- корректным использованием методов теории динамических систем, теории вероятностей и математической статистики;

- совпадением теоретических результатов с результатами математического моделирования;

- совпадением теоретических результатов в пределах допусков с результатами натурного моделирования;

- подтверждением теоретических результатов результатами испытаний, сертификации, внедрения и эксплуатации разработанных на основе предложенных в

15

диссертации принципов, методов и средств цикловой синхронизации промышленных измерительных приборов.

Р е а л и з а ц и я р е з у л ь т а т о в р а б о т ы

Результаты исследований, полученные при выполнении диссертационной работы, легли в основу разработанных в соответствии с научно-производственными планами в ННИПИ «Кварц» (в настоящее время АО «ННПО имени М.В. Фрунзе») образцов специального генератора ПСП - анализатора кодовых последовательностей (ГПСП-АКП) ЕЭ3.054.053, поставленных заказчику, макета специального ГПСП-АКП ЯНТИ411.663.001, специального генератора-анализатора тестовых сигналов (ГАТС) 7-Э17652, поставленного заказчику, в которые внедрены ДО и СС с улучшенными параметрами синхронизации. Внедрены в производство синхронометры ЧК7-50 (поставлены в ЦУП г. Королёв), сертифицированы как СИ ВН приемники-компараторы ЧК7-54, ЧК7-56 (поставляются по Гособоронзаказу и гражданским потребителям).

П р а к т и ч е с к о е и с п о л ь з о в а н и е результатов диссертационной работы и разработок подтверждены актами внедрения, актами Государственных приемочных испытаний образцов автоматизированного измерительного комплекса 14Б328, протоколами испытаний макетов на стадии приемки технического проекта ОКР разработанных приборов, актами проведенных Госкомиссий по ПК ЧК7-54, ЧК7-56, автоматизированному рабочему месту поверки навигационной аппаратуры потребителей (АРМ поверки НАП) К6-12.

А п р о б а ц и я р а б о т ы

Результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах и

заседаниях НТС в ННИПИ «Кварц», на 3-х Всесоюзных научно-технических

конференциях (г. Москва, 1990 г., г. Севастополь, 1991 г., г. Нижний Новгород,

1992г.); на 12-ти Всероссийских научно-технических конференциях (г. Нижний

Новгород, 1993 г., п.г.т. Поведники, МО РФ, 2003, 2004, 2012 гг., г. Москва,

РНТОРЭС, 2005 г., С.Петербург, РСДБ, 2006 г., С.Петербург, КВНО, 2007, 2009,

2011, 2013, 2015 гг., г. Мытищи, МО, 2008 г.); на 7-ми Российских научно-

технических конференциях (г. Нижний Новгород, 1995, 1999, 2002, 2003, 2006,

16

2011 гг.); на 14-ти Международных научно-технических конференциях (г. Москва, 1996 г., NDES, 1997 г., г. Б. Болдино, 2005 г., г. Брауншвейг (Германия), 2006 г., г. Воронеж, RLNC, 2006-2008, 2011, 2012, 2014 гг., г. Нижний Новгород, ИСТ, 2008, 2009, 2011 гг., г. Менделеево, 2012 г.).

Апробация результатов работы проведена в ходе Государственных приёмочных испытаний образцов и испытаний макетов разработанных приборов, в которые внедрены ДО и СС с улучшенными параметрами синхронизации, Государственных приёмочных и сертификационных испытаний для целей утверждения типа СИ ВН образцов ЧК7-50, ПК ЧК7-54, ЧК7-56, АРМ поверки НАП К6-12 и подтверждена в соответствующих актах и протоколах.

П у б л и к а ц и и

Результаты исследований по теме диссертации автора изложены в 74-х научных работах, в том числе в 13-ти изданиях, рекомендованных ВАК для публикаций результатов исследований по кандидатским и докторским диссертациям. По результатам исследований по теме диссертации получено 19 авторских свидетельств СССР, патентов РФ на изобретения; 3 свидетельства и патента на полезные модели; 6 свидетельств о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Л и ч н ы й в к л а д а в т о р а

Основные результаты представленной диссертационной работы получены лично автором или при его непосредственном активном участии.

С т р у к т у р а и о б ъ е м р а б о т ы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов - глав, описания и заключения, содержащего основные результаты и выводы, списка литературы и приложений. Общий объем: 297 страниц печатного текста, в том числе 86 рисунков, 22 таблицы. Список литературы включает 145 наименований.

П о л о ж е н и я, в ы н о с и м ы е н а з а щ и т у:

1. Новые математические модели процессов в системах цикловой синхронизации и стабилизации генераторов цифровых и аналоговых сигналов, позволяющие повысить точность синхронизации, контролировать параметры процессов синхронизации (получить условия синхронизации, точные оценки времени входа в синхронизм), предложить новые алгоритмы и методы для повышения эффективности и снижения погрешности в метрологической аппаратуре:

- логического функционального контроля каналов связи;

- систем единого времени на основе электронных часов;

- поверки стандартов частоты и времени по сигналам спутниковых радионавигационных систем в форме разностных уравнений динамики.

2. Аналитические выражения взаимосвязи между характеристиками ошибок в канале связи и измеряемого в системе синхронизации сигнала ошибки, позволяющей получить калибровочные соотношения для вычисления коэффициента ошибки произвольного уровня без размыкания цепи обратной связи и основанные на них методы проектирования СС и измерителей ошибок, а также оценка времени готовности СС для измерения.

3. Методы оценки эффективности СС электронных часов по критериям подавления помех, времени входа в синхронизм, основанным на марковской ММ.

4. Разработанные и внедрённые в производство системы цикловой синхронизации генераторов цифровых и аналоговых сигналов для промышленных:

- измерительных приборов контроля цифровых каналов связи с уменьшенным временем готовности режима измерения коэффициента ошибок произвольного уровня и расширенными функциональными возможностями;

- синхронометров с повышенной помехозащищённостью приёма эталонных сигналов частоты и времени;

- измерительных приёмников-компараторов сигналов ГЛОНАСС/GPS для

поверки высокостабильных генераторов и стандартов частоты с уменьшенной

18

погрешностью измерения относительной отстройки частоты и возможностью измерения кратковременной нестабильности частоты.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ ЦИКЛОВОЙ СИНХРОНИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ АППАРАТУРЕ ЛОГИЧЕСКОГО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ (ЛФК)

В первой главе проведены теоретическое исследование методов функцио--нального контроля и теоретический анализ математической модели системы связанных генераторов ПСП при отсутствии шумов. Предложена новая математическая модель процессов в системах цикловой синхронизации генераторов цифровых сигналов, позволяющая повысить точность синхронизации, получить условия синхронизации, точные оценки времени входа в синхронизм в метрологической аппаратуре логического функционального контроля каналов связи на основе разностных уравнений динамики с параметрами, переменными и операциями, определенными для дискретных двоичных сигналов (в поле Галуа ОБ(2)).

Полученные в этой главе результаты изложены в публикациях [11, 43-49, 77, 78, 84, 85, 90, 91, 116, 117, 121].

1.1 Введение. Постановка исследовательских задач

Интенсивное развитие и широкое применение систем цифровой связи в большой степени связано с решением новых измерительных задач и определением метрологических характеристик и параметров качества цифровых каналов связи. Различные дискретные или цифровые каналы связи (КС) [139, 128, 141, 57] характеризуются рядом параметров: скоростью передачи информации, видом используемого кода информационного сигнала, амплитудно и фазочастотными характеристиками, одномерной и многомерной функциями распределения вероятностей ошибки и др. Функциональный контроль (ФК), определяемый как контроль выполнения ЦКС части или всех свойственных ему функций [70], предполагает измерение указанных выше параметров, что представляет в общем случае довольно сложную по аппаратным затратам задачу в силу большого разнообразия

и широкого диапазона измеряемых параметров. Так, например, полоса рабочих частот современных ЦКС составляет от 200 Гц (телеграфные КС) до 40 ГГц и выше (спутниковые КС) и сотен ГГц (волоконно-оптические КС), необходимый для измерения диапазон вероятности ошибок составляет от 10-11 до 10-1 и более. Если измерение одних значений параметров, например, вероятности ошибок

Л

до 10- представляет собой достаточно успешно решаемую задачу, то измерение других, например, больших скоростей передачи информации, амплитудно и фа-зочастотных искажений, фазовой модуляции сигнала, (джиттера) и др. связано с усложнением измерительной аппаратуры. Одной из таких проблем является измерение одномерной функции распределения вероятностей ошибок в ЦКС со средним и большим уровнем шума, особенно в спутниковых ЦКС (СЦКС), которые характеризуются большой протяженностью и мощными источниками помех.

Одномерная функция распределения вероятностей ошибок является важной интегральной характеристикой качества ЦКС. Оценкой ее служит измеряемый практически аппаратурой ЛФК коэффициент ошибок. По Кош можно сравнивать различные модемы, каналы связи, кодеры и декодеры без учета специфики их построения (вида модуляции, способов кодирования и т.д.). Кроме одномерной функции распределения вероятностей, ИА контроля ЦКС должна обеспечивать измерение и других статистических характеристик ошибок: Кош по блокам передаваемой информации, функции распределения вероятностей безошибочных интервалов, многомерной функции распределения вероятностей ошибок и др.

При решении измерительных задач ЛФК для обнаружения ошибок используются два основных подхода: передача через ЦКС тестовой последовательности и выделение ошибок путем сравнения с ней на приемном конце такой же по структуре (кодовому рисунку) последовательности эталонного генератора [139, 128, 141, 57] или выделение ошибок за счет использования избыточности в передаваемых рабочих сигналах (их повторение или избыточное кодирование, осуществляемое добавлением в кодовые слова к информационным проверочных символов) [100, 140, 124, 53].

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Акулов Виктор Васильевич, 2019 год

и - и

и1 и2 . (3.2.19)

7 Ти

При использовании сигналов «врезка» следует учитывать тот факт, что между последовательными сигналами интервал времени равен 20 мс, то есть значение пизм не может превысить 20 мс. Поэтому, если относительное отклонение частоты поверяемой меры от номинального значения превышает 210- , накапливаемая за сутки разность и1 — и2 превысит 20 мс, то есть превысит интервал времени между последовательными импульсами «врезки», то при каждом таком

превышении пизм скачком уменьшится на 20 мс. Поэтому при относительной поп

грешности поверяемой меры, большей 210- (по абсолютной величине), надо учитывать число таких скачков за интервал времени измерения.

Сигналы «1 Гц» введены в шестую строку. В отличие от сигналов «врезка», временное положение которых сильно изменяется в зависимости от вида передач. Временное положение сигналов «1 Гц» фиксировано, поправка С для этих сигналов от сеанса к сеансу изменяется мало, поэтому ими можно пользоваться не обязательно в те часы, когда на них определяется поправка с государственной службой времени и частоты. Второе преимущество этих сигналов состоит в том, что они разделены интервалом времени в 1 с, то есть за сутки измерения перескок пизм происходит в том случае, если относительное отклонение частоты от номинального значения превышает 110-5. Недостаток сигналов «1 Гц» состоит в том, что они не всегда присутствуют в составе телевизионных сигналов.

Для наиболее точных измерений следует пользоваться сигналом «1 Гц». В составе телевизионных передач они присутствуют всегда. Их недостатком является то, что интервал времени их повторения (период повторения) равен 1 мкс, то есть имеет смысл ими пользоваться, если наперед известно, что относительное

отклонение частоты поверяемой меры от номинального значения не превышает 2-10-10.

Время распространения пр, входящее в формулу (3.2.18), при вычислении Ас^-по формуле (3.2.19) взаимно уничтожается, если время измерения пи остается постоянным. При изменении трактов распространения сигналов за время измерения оно может изменяться в больших пределах. Если величина этого изменения неизвестна (например, при передачах телевизионных программ через спутники), то такими сигналами пользоваться нельзя.

Использование эталонных сигналов частоты, передаваемых по радиоканалам. Специальные радиостанции РБУ (Москва), РТЗ и РВ-166 (Иркутск), РВ-76 (Новосибирск) передают сигналы частоты, которые могут быть использованы для

контроля или поверки МЧ. Относительная погрешность их по частоте не превы-

12

шает 5 10- . При использовании поправки на частоту этих сигналов, регулярно публикуемых Государственной службой времени и частоты точность контроля или поверки можно повысить в несколько раз. Методы сличения поверяемой МЧ с сигналами частоты, передаваемыми по радио, зависят от применяемой аппаратуры и приведены в технических описаниях этой аппаратуры.

Достоинство сигналов частоты, передаваемых по радио, постоянство времени распространения, которое поэтому можно не учитывать. Недостаток - ограниченная зона приема этих станций.

При этом ряд станций, передающих сигналы, предназначенные для целей навигации, в частности РНС-Е(А), РНС-Е(Д), УТР-3, УСН-3, УКВ-3, УСБ-2 и

УЛД-8, могут быть использованы для целей контроля и поверки МЧ, поскольку

-12

их относительная погрешность по частоте также не превышает 5 10- . Однако, из-за высокой кратковременной нестабильности эталонных сигналов частоты и времени, передаваемых по телевизионным и радиоканалам, они не пригодны для определения метрологических характеристик поверяемых мер за малые (менее 1000 с) интервалы времени.

5) Метод использования перевозимых квантовых часов является самым точным, но и самым трудоёмким и дорогим и в данной работе не рассматривается,

так как по данной области измерений имеется обширная научная литература [67, 69].

3.2.2 Типовые функциональные характеристики и параметры аппаратуры поверки стандартов частоты и времени и частотно-измерительных приборов по эталонным сигналам частоты и времени, передаваемым по ДВ радиоканалам связи

Аппаратура для приема ЭСЧВ выбирается в зависимости от используемых каналов и расположения телевизионного центра или радиостанции, передающей ЭСЧВ, относительно поверочной лаборатории.

Для приема ЭСЧВ, передаваемых по телевизионным каналам, разработаны и в настоящее время серийно выпускаются два типа приемников: приемник-компаратор телевизионный ПКТ, предназначенный только для приема сигналов частоты «1 МГц», и установка приема шкал времени по телевидению УПТЗ, предназначенная для приема всех видов ЭСЧВ.

ЭСЧВ, передаваемые по телевизионным каналам, могут быть использованы только в том случае, если в поверочной лаборатории возможен непосредственный прием Московского телецентра или регионального телецентра в том случае, если он ретранслирует передачи 1 -й или 2-й общесоюзных программ при условии, что эти программы от Московского до регионального телецентра передаются по наземным (радиорелейным или кабельным) каналам связи. В том случае, если эти сигналы на региональный телецентр передаются через спутник, их использование для поверочных работ становится практически невыполнимым для поверочных лабораторий из-за непрерывно изменяющегося значения времени распространения этих сигналов.

Использование ЭСЧВ, передаваемых по телевизионным каналам, при учете поправок на эти сигналы, публикуемых Государственной службой времени и частоты, дают возможность на протяжении 10 сут. сличить частоту местной МЧ или

13

МЧВ с государственным эталоном с погрешностью не более 10- .

При приеме ЭСЧВ, передаваемых через специализированные радиостанции, рекомендуется использование приемника-компаратора Ч7-38, который предназначен для приема всех радиостанций, работающих в диапазоне очень низких, низких и высоких частот.

При отсутствии приемника-компаратора Ч7-38 можно использовать ранее широко выпускавшийся приемник-компаратор Ч7-10, предназначенный для приема радиостанции РБУ, расположенной в г. Москве и работающей на частоте 66,(6) кГц.

Для поверки по ЭСЧВ мер частоты ограниченной точности (с погрешностью более 110-9) можно использовать ранее широко распространенные приемники-компараторы ПЧ-66 и ПК-66, предназначенные для приема радиостанции РБУ, или приемник-компаратор ПК-50, предназначенный для приема радиостанции РТЗ (г. Иркутск), работающий на частоте 50 кГц.

Надо иметь в виду, что радиостанции РБУ и РТЗ имеют ограниченную зону действия - около 2000 км для РБУ и 3000 км для РТЗ.

С 1983 года РБУ передает ЭСЧВ в виде временного кода по ГОСТ 8.515-84 [68, 142].

3.3 Постановка задачи по разработке новой математической модели системы синхронизации электронных часов. Алгоритмы помехозащищённости

Основой для развития многих современных отраслей науки и техники является использование передачи информации по радиоканалам, в том числе передачи информации о точном времени в пространственно разнесенные пункты. Источник информации о текущем времени - базовые электронные часы 1 (рисунок 3.3.1) с высокостабильным опорным генератором. Все известные нам системы синхронизации электронных часов [15] соответствуют разработанной обобщенной структурной схеме рисунка 3.3.1. Информация о времени X ^) поступает в пункты назначения в виде последовательности кодовых слов времени в составе эталонно-

го сигнала времени и частоты, передаваемого радиостанциями Государственной службы времени и частоты. На приемном конце такой системы передачи проводится демодуляция сигнала и декодирование принятой информации, прежде чем она в виде более чем 100-битного кодового слова U(t) (форматами, содержащими информацию о часах, минутах, секундах и т.д.) поступит на приемник системы синхронизации.

На трассе распространения радиосигнал искажается шумом, поэтому для обеспечения помехозащищенности в аппаратуре приема эталонных сигналов частоты и времени применяются различные алгоритмы синхронизации внутренних часов, включая простейшую проверку на четность [35, 112, 134] и разработанные в последнее время более сложные нелинейные алгоритмы синхронизации часов [16, 35, 111, 113, 122], которые успешно используются в серийной аппаратуре [113]. Эффективность работы алгоритма обычно определяется через величину отношения вероятности ошибки в кодовом слове на выходе схемы алгоритма к вероятности ошибки в кодовом слове на его входе [16, 110, 111, 113]. Для оптимального выбора алгоритма синхронизации часов необходимо сравнение эффек-тивностей разных алгоритмов, что, однако, не всегда возможно осуществить из-за сложности и разноплановости реальных объектов. Одной из целей исследований, результаты которых приведены ниже, является относительное сравнение эффек-тивностей нескольких указанных выше алгоритмов, которое может быть проведено и которое целесообразно проводить на унифицированных и максимально-упрощенных математических моделях. При этом целесообразно применение методов теории динамических систем [88, 15], которые при случайных воздействиях сводятся к методам теории цепей Маркова, например, в [15, 86].

До проведённых исследований не была известна методика оценки эффективности систем синхронизации электронных часов как по подавлению помех [15], так и комплексная оценка их эффективности по нескольким критериям, учитывающим другие характеристики. Ниже предложен метод оценки эффективности систем синхронизации по критериям, учитывающим как подавление помех, так и время переходного процесса в системе [94].

Рис. 3.3.1 - Обобщенная схема системы синхронизации местных электронных часов эталонным кодом времени от базовых часов:

1 - эталонные часы;

2 - схема сравнения с результатом сравнения - сигналом Z(t);

3 - местные синхронизируемые часы с состоянием X1^);

4 - управляющий автомат с состоянием Х2(^ и выходным

сигналом Б^) управления ключом;

5 - ключ

Описание алгоритмов

Рассмотрим несколько из возможных алгоритмов синхронизации часов. В качестве первого рассмотрим алгоритм синхронизации часов со счетом пачек несовпадений входных и выходных кодовых слов [15]. Алгоритм включает в себя следующие действия:

- в начальный момент внутренние часы устанавливаются в соответствии с принятым кодом;

- с циклом в 1 мин производится сравнение принятого временного кода с кодом внутренних часов;

- если совпадение произошло, то предполагается, что часы установлены были верно, и новая установка не производится, при этом стирается в отдельной

памяти часов число предыдущих несовпадений;

- если совпадения не произошло и число несовпадений подряд достигло порогового уровня, то предполагается, что часы были установлены неверно, и в следующем цикле приема временной информации производится новая установка часов.

В качестве второго рассмотрим алгоритм синхронизации со ступенчатым увеличением или уменьшением на 1 числа в дополнительной памяти, который отличается от первого тем, что при несовпадении принятого кода с кодом внутренних часов производится вычитание 1 из числа несовпадений в дополнительной памяти.

В качестве третьего рассмотрим алгоритм синхронизации часов по пороговому уровню коэффициента ошибок (несовпадений) [15, 35], в которой производится новая установка внутренних часов после того, как число ошибок (несовпадений) в скользящем окне анализа входного кода превысило заданный пороговый уровень.

Постановка задачи

Для корректного сравнения различных алгоритмов синхронизации часов при воздействии помех предложена унифицированная схема, представленная на рисунке 3.3.1. Аддитивная смесь кода времени в составе ЭСЧВ с шумом поступает на схему сравнения и на ключ. По результату сравнения входного сигнала с кодом времени внутренних часов Xвырабатывается сигнал Z(t), поступающий на управляющий автомат с дополнительной памятью Х2(который вырабатывает сигнал управления Включом. Через ключ входной сигнал проходит либо не проходит на входы установки внутренних часов. В качестве управляющего автомата в первых двух алгоритмах может служить счетчик по модулю д, а в третьем алгоритме - регистр сдвига с числом разрядов д, при этом для унификации будем считать ц = 2п. Будем также считать, что переменные Х^}, Х1(^, ф), и^), Z(t), Б(^ с{0,1}; Хф) е [0...д-1]. Необходимо получить аналитические выражения для эффективностей каждого из алгоритмов и произвести их сравнение.

Упрощающие предположения. Для получения точных аналитических соот-

ношений эффективности систем синхронизации полагаем длину кодового слова равной 0, т.е. рассматриваем не саму «начинку» кодового слова с текущим значением времени, а ограничиваемся только его «правильностью» (уровень «0») или

«ошибочностью (уровень «1»). Поэтому эталонный сигнал X (г), возникающая на трассе распространения радиосигнала помеха ф), входной сигнал на местные часы и($ и сравниваемый с ним сигнал X'() местных часов 3 будут являться скалярными, принимающими значения 0 и 1. При сделанных предположениях схема 2 может осуществлять различные операции «< >» сравнения: сложение по модулю два («Ф»), функцию ИЛИ («V») и другие, соответствующие сравнению, например, однобитовых и многобитовых кодовых слов и Хф).

По результату сравнения и X'() вырабатывается сигнал ошибки 2(1), поступающий на управляющий автомат 4 с внутренним состоянием Х2^)е[0, 1,... д-1], который вырабатывает сигнал управления В@)е[0,1] ключом 5.

Через ключ входной сигнал и($ проходит либо не проходит на входы установки местных часов. В качестве управляющего автомата систем синхронизации может быть взят либо счетчик по модулю « д», либо регистр сдвига с числом разрядов п = ^д.

3.4 Математическая модель системы синхронизации электронных часов по эталонным сигналам времени

' X ^ ) ^

IX 2 (г) J

Уравнения динамики для состояния системы X(г) =

памяти Х^Х^) записываются следующим образом: для первого алгоритма

Х(г+1) = (1-Б(г))Хг(х) ФБ(г)Щ), Б(г) = 3(Х2(г)-(д-1)),

Х3(г+1)= [1- 5(Хф)<>Щ))])](Х2(г)+1)[тс4д], где 3(х) = 0, х Ф 0; 3(х) = 1, х = 0.

с компонентами

(3.4.1)

При этом будем считать, что сигнал X (?) принимает всегда «правильное» значение «0» при отсутствии помех, £(1:) = 1 при наличии помех, £(1:) = 0 при отсутствии помех, сигнал и(1:) = 0 при £(1) = 0, и(1:) = 1 при ф)=1.

Операция <>= «0» означает сложение по модулю два и соответствует передаче однобитового кодового слова, а операция <>= «V» означает операцию ИЛИ и соответствует передаче многобитового кодового слова при условии, что вероятность совпадения ошибочных кодовых слов при сравнении очень мала.

Аналогично записываются уравнения динамики для состояний схемы второго алгоритма:

Хф+1) = (1-Б(ф Хф) 0Б(Ш), Б(^ = 5 (Х2(Нд-1)), \Х2^+1)=[1-ё(Хф) 0Щ))][(Х2^)+1)[тоёд]]+(Х()+Щ0)(1-- 5 (Х2(ф)[(Х2^)-1)[тоёд]], (3.4.2)

Х3^+1)=[1- 5(Х1(ФЩ))][(Х2^)+1)[тоёд]]+(Х1(ФЩ))(1-4 - 5 (Х2т[(Хф)-1)[тоё д]],

и для третьего алгоритма:

Г Хф+1) = (1-Б() Х() 0Б(^Щ) Б(^ = 5 (Х2(^-К), К<д,

<

Х2(1)^+1}=1-6(Хф) 0Щ)) = Z(t),

Х2(1)$+1)=1-6(Х1(ф Щ)) = Z(t), (3.4.3)

Х2(2)р+1}=Х2(1) (^,

к 'х^' (+1)=х{п:1)() д = 2п.

Верхние индексы компоненты Х2 в уравнениях (3.4.3) обозначают номера разрядов регистра сдвига.

Графы переходов состояний

Из уравнений динамики для каждого из алгоритмов можно построить графы состояний и переходов, считая, что переход системы в последующее состояние из предыдущего совершается при и=1 с вероятностью Рр=Вер(и=1)=Вер(1=1), а при и=0 с вероятностью 1- Рр=Вер(и=0)=Вер(1=0).

Графы состояний и переходов с указанными вероятностями переходов около линий их обозначающих для каждого из алгоритмов представлены соответственно на рисунках 3.4.1 а-е. При этом операции «0» в выражении для функции Z(t) в уравнениях (3.4.1)-(3.4.3) соответствуют графы а,в,д а операции «v» - графы б,г,е. На рисунках 3.4.2 а-е показаны матрицы вероятностей перехода за один шаг с размерностью (2q2q) для каждого из алгоритмов. Отдельно на рисунке 3.4.3 показан граф переходов состояний для первого алгоритма а и соответствующая ему матрица вероятностей перехода за один шаг (3.4.4).

Матрица вероятностей переходов из одного состояния в другое за один шаг для графа рисунка 3.4.3 имеет вид

( 1-р р 0...0 0 0 0 ... 0 д 1-р 0 р...0 0 0 0 ... 0

1-р 0 0...р 0 0 0 ... 0

1-р 0 0.0 р 0 0 ... 0

0 0 0.0 р 1-р 0 ... 0

0 0 0.0 р 0 1 -р . 0

(3.4.4)

0 0 0.0 р 0 0 ... 1-р 1-р 0 0.0 р 0 0 . 0 У

Величина р* в вероятностях перехода в (3.4.4) принимает значения р или 0 соответственно при анализе работы алгоритмов с помощью теории эргодической или поглощающей цепи Маркова, что будет подробнее рассмотрено ниже.

Рис. 3.4.1 - Графы переходов состояний систем синхронизации, основанных на алгоритмах 1- а,б; 2 - в,г; 3 - д,е; с выполняемой схемой сравнения операцией <<Ф>> - а,в,д и ИЛИ - б,г,е

Р0 (1)=

(1 - Р Р 0. . 0 0 0 0. . 0 1

1 - Р 0 Р. . 0 0 0 0. . 0

1-.Р .0. .0... .....Р. .0.. .0.. 0 . . 0

1-Р 0 0. . 0 Р 0 0. . 0

0 0 0. . 0 Р 1-Р 0. . 0

0 0 0. . 0 Р 0 1-Р . . 0

0 .0. .0... . 0 .Р.. .0.. 0 . . 1 -Р

11 -Р 0 0. .. 0 Р 0 0. . 0)

(1 - Р Р 0

Р0 (1) =

0 0 0 0 0

1-Р 0 Р. .0 0 0 0 0. .0 0

0 1-Р 0Р. .0 0 0 0 0. .0 0

0 .0. .0...... .. 1-.Р .0. .Р. .0. .0...... .. .0.. 0

0 0 0. .0 0 Р 1-Р 0. .0 0

0 0 0. .0 0 Р 0 1 - Р . .0 0

0 0 0. .0 0 0 Р 0 1 - Р . .0 0

V1 -Р .0. .0...... ...0. .0. .0. .0. .0.. ... .. .. .Р.. 0)

а)

в)

Р,(1) =

(1 - Р Р 0

1 - Р 0 Р

1 - Р 0 0

1-Р 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

1-Р 0 0

0000 0000

Р 0 0 0 0 Р 0 0

00 00

1

0

0 1

0000 0 Р 0 0

0 1 0

0 0 0 0

1

0

(1 - Р Р 0 1 - Р 0 Р 0 1 - Р 0 Р

Р0(1)=

00 00 00 00

1-Р 0 0

0000 0000 0000

1-Р 0 Р 0 0

0 0 0 1 0

0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 1

0 0 Р 0 0

Р0 (1) =

б) г)

(1 - Р Р 0 0 . .0 0 0 0 0 0. .0 0

0 01 -Р Р . .0 0 0 0 0 0. .0 0

0 0 0 0 . . 1 -Р .Р.. .0.. .0.. .0.. .0.. .. .. .0.. .0..

1 - Р Р 0 0 . .0 0 0 0 0 0. .0 0

0 01 -Р Р . .0 0 0 0 0 0. .0 0

0 0 0 0 . .. 1 -... Р .0.. .0.. .0.. .0.. .0.. .. .. .0.. .Р..

0 0 0 0 . .0 0 Р 1 - Р 0 0. .0 0

0 0 0 0 . .0 0 0 0 Р 1-Р . .0 0

0 0 0 0 . .. .0.. .0.. .0.. .0.. .0.. .0.. .. .. .Р.. 1 -... Р

0 0 0 0 . .0 0 Р 1 - Р 0 0. .0 0

0 0 0 0 . .0 0 0 0 Р 1-Р . .0 0

V 0 0 0 0 . .. .0.. 1 -... Р .0.. .0.. .0.. .0.. .. .. .Р.. .0..

д)

Р>(1) =

1 - Р Р 0 0 . . 0 0 0 0 0 0. . 0 01

0 0 1-Р Р . . 0 0 0 0 0 0. . 0 0

0 0 0 0 . . 1 -Р Р 0 .0. .0. .0... .....0. 0

1 - Р Р 0 0 . . 0 0 0 0 0 0. . 0 0

0 0 1-Р Р . . 0 0 0 0 0 0. . 0 0

0 0 0 0 . . 1 - Р 0 0 0 0 0. . 0 Р

0 0 0 0 . . 0 0 0 1 0 0. . 0 0

0 0 0 0 . . 0 0 0 0 0 1. . 0 0

0 0 0 0 . . 0 0 0 0 0 0. . 0 1

0 0 0 0 . . 0 0 0 1 0 0. . 0 0

0 0 0 0 . . 0 0 0 0 0 1. . 0 0

0 0 0 0 . . 0 1-Р 0 0 0 0. . 0 Р)

е)

0 0 1

0 1 0

Рис. 3.4.2 - Матрицы вероятностей переходов из одного состояния в другое за один шаг для графов рисунка. 3.4.1

0

0

1-р

Рис. 3.4.3 - Граф переходов состояний системы синхронизации для уравнений динамики (3.4.1) при вероятности помех в канале связи р=Вер(£=1)

Финальные вероятности состояний

Так как вероятности переходов системы зависят только от состояния в данный момент времени и не зависят от времени, а в графах на рисунках 3.4.1, 3.4.3 нет поглощающих состояний, то дальнейший анализ можно продолжить с помощью методов теории эргодических цепей Маркова [86]. Уравнение для финальных вероятностей Ш, ¡=1,2,...,2д в матричной форме будет иметь вид

(Е-Рт(1)) П = 0 , (3.4.5)

где Е - единичная матрица,

П =

г Л

П1 П2

q

2

1

р

Решая уравнение (3.4.5) с учетом условия нормировки получим аналитические выражения для финальных вероятностей состояний схем синхронизации каждого из алгоритмов. Результаты вычислений использованы для вычисления эффективностей рассматриваемых алгоритмов по разным критериям и сведены в таблицу 3.5.1 (д=2) и в таблицу 3.5.2 (д=4).

3.5 Оценка эффективности синхронизации электронных часов по эталонным сигналам времени

Эффективность подавления помех

В [15] введен и исследован критерий эффективности подавления помех системы синхронизации:

е = Вер(Х() = 1) /р, (3.5.1)

где р - вероятность ошибки в кодовом слове на входе приемника системы синхронизации;

Бвр(Х1(1)=1)=Пч+1+.+П2Ч;

Пд+1,...П2д - финальные вероятности состояний д+1,..., 2д.

Как было отмечено выше, указанные вероятности определяются из матричного уравнения (Е-Р ) П=0 с учетом условия нормировки, где Е - единич-

Т

ная матрица; Р - транспонированная матрица вероятностей перехода из одного состояния в другое за один шаг; П - (2д-1)-мерный вектор-столбец.

Для системы синхронизации со счетом по модулю д пачек несовпадений кодовых слов е будет определяться для вариантов а, б (см. таблицы 3.5.1, 3.5.2), р ^ 0, соответственно, выражениями

еа = Рд-2[1 - (1 -р)д] / {(1 -рд)(1 -р)д-1 + рд-1 [1 - (1 -р)д]}; (3.5.2а) еь=рд-1д/ [1 + рд(д-1)]. (3.5.2б)

Результаты вычисления эффективностей алгоритмов с д=2 представлены в таблице 3.5.1.

Критерий Варианты схем систем синхронизации из [15] с д=2

а б в г д е

в 2р 2р 2р 2р р р

пп+1 2+3р 2+2р 2+3р 2+2р 3+5р 3+3р

Э-1 4р+6р2 4р+4р2 4р+6р2 4р+4р2 3р+5р2 3р+3р2

Результаты вычисления эффективностей алгоритмов с д=4 представлены в таблице 3.5.2. Таблица 3.5.2

Критерий Варианты схем систем синхронизации из [15] с д=4

а б в г д е

в 4р2 4р2 4р2 4р2 р2 р2

пп+1 4+10р 4+4р 4+7р 4+4р 5+3р 5+р

Э-1 16р3+40р4 16р3+4р4 16р3+28р4 16р3+4р4 5р2+3р3 5р2+р3

Из приведенных в [15] графиков зависимостей эффективности различных алгоритмов от вероятности ошибки в кодовом слове на входе алгоритма для д=2 и д=4 и из таблиц 3.5.1, 3.5.2 видно, что в области вероятностей ошибок на входе алгоритма малого и среднего уровней более предпочтительными оказались первые два алгоритма синхронизации часов. В области больших вероятностей ошибок эффективность всех рассмотренных алгоритмов ухудшается и становится примерно одинаковой и близкой к 1.

Эффективностъ по времени входа в синхронизм

Критерий эффективности по подавлению помех в [15] не учитывает переходные процессы в системе синхронизации. Для анализа переходного процесса далее используем стандартную методику исследования поглощающих цепей Маркова [86]. Матрицу Р заменяем матрицей Р, в которой состояние «1» при-

нимается за поглощающее. Состояние управляющего автомата и показания местных часов в момент включения устанавливаются для определенности в состояние системы «д+1». Время переходного процесса системы синхронизации из любого состояния, кроме первого, в правильное состояние «1» выражается соотношением:

* = (Е - а)-1 п,

(3.5.3)

где т — (2д-1)-мерный вектор-столбец времени перехода из любого состояния в первое (для указанного начального состояния системы синхронизации необходима одна компонента тп+1);

а - [(2д-1)(2д-1)]-мерная подматрица матрицы Р =

'е| 0 ^

V ^ )

Р - переходная матрица системы с поглощающим состоянием «1»; П = (1,...1)т - (2д-1)-мерный вектор-столбец.

Время входа в синхронизм тд+1 для системы со счетом по модулю д пачек несовпадений при операциях сравнения < > = « 0 » и «V» определяется, соответственно, выражениями

Тд+1 = [1 - (1 -р)д]/ [р(1 -р)д]; (3.5.4а)

тд+1 = д / (1 - р). (3.5.4б)

Совокупный критерий эффективности

Совокупный критерий эффективности определяется по формуле:

Э = 1 / (е тд+1), (3.5.5)

что позволяет на практике выбрать наилучший вариант СС. Например, из таблиц 3.5.1 и 3.5.2 для рассматриваемых [15] вариантов СС при р^ 0 следует, что по совокупному критерию надо отдать предпочтение при д=2 схеме «е» с управляющим автоматом на регистре сдвига, а при д=4 - схеме «б», которая использована в серийных часах ЧК7-50.

Предложена марковская математическая модель для сравнительного анализа эффективности различных алгоритмов синхронизации электронных часов кодом времени, передаваемым в составе эталонных сигналов Государственной службы времени и частоты.

Предложены новые критерии эффективности системы синхронизации - по времени входа в синхронизм и совокупный. В результате анализа математической модели системы синхронизации электронных часов установлено, в частности, что лучшей эффективностью обладает схема синхронизации серийных часов ЧК7-50.

ГЛАВА 4. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТИ СИСТЕМ СИНХРОНИЗАЦИИ И СТАБИЛИЗАЦИИ ГЕНЕРАТОРОВ СИГНАЛОВ АППАРАТУРЫ ПОВЕРКИ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ И ВРЕМЕНИ ПО СИГНАЛАМ ГЛОНАСС/СР8

В четвёртой главе на основе предложенной ММ новых алгоритмов работы СС проведены математическое моделирование и расчёт погрешности систем синхронизации и стабилизации генераторов сигналов аппаратуры поверки стандартов частоты и времени по сигналам спутниковых радионавигационных систем.

Результаты разработки новых алгоритмов и математического моделирования, позволяющие уменьшить погрешности синхронизации и стабилизации генераторов представлены в публикациях [1-7, 10, 12, 19-30, 109, 115, 119, 131].

4.1 Введение

Важной и актуальной областью использования СС является их применение в частотно-временных измерениях, особенно связанных с использованием сигналов СРНС ГЛОНАСС/ОРБ [80, 67, 60, 61].

Измерения времени и частоты - наиболее массовые и специфические измерения. Требования к высокому уровню точности этих измерений объясняются тем, что они находят непосредственное применение в различных навигационных системах, современных цифровых системах связи и передачи информации, в радиоэлектронике, астрофизике, космонавтике, при разнообразных научных исследованиях.

Высокие, опережающие требования к темпу роста точности измерений времени и частоты в различных комплексах и системах, тесная связь их с многими техническими достижениями требуют периодической переоценки состояния высокоточных измерений времени и частоты и направлений дальнейшего их развития.

В последнее время значительно выросло количество технических средств и систем, в которых используются высокоточные сигналы времени и частоты. По оценкам специалистов, каждые 7-10 лет количество средств измерений времени и частоты, встраиваемых в новые технические средства и системы, удваивается, а точность их повышается на 1 -2 порядка.

Навигация, радиоастронометрия, связь и телекоммуникации, космическая геодезия, управление транспортом, энергосистемами, часофикация и др. требуют точности от 10-5 по частоте (1с по времени) до 10-15... 10-16 по частоте (0,1 нс по времени).

В соответствии с ГОСТ Р 8.576-2000 [69] средства измерения, применяемые в сфере обороны и безопасности, подлежат поверке в установленном порядке.

Поверка может осуществляться как на месте эксплуатации рабочего эталона (РЭ), так и на месте эксплуатации поверяемого СИ. Поверка высокоточных стандартов частоты и времени, для уменьшения времени изъятия из обращения, осуществлялась на месте их применения силами выездной бригады, при помощи эталона-переносчика.

Однако появилась возможность проведения поверки далекоудаленных СЧВ с использованием сигналов спутниковой радионавигационной системы ГЛО-НАСС, предназначенной для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. Общие параметры интерфейса между подсистемой космических аппаратов (ПКА) СРНС ГЛОНАСС и навигационной аппаратурой потребителей (НАП) СРНС ГЛОНАСС определяет «Интерфейсный контрольный документ (ИКД)» [80]. Этим документом устанавливаются основные точностные характеристики СРНС ГЛОНАСС, в частности:

- фактические значения несущих частот радиосигналов, излучаемых навигационными космическими аппаратами (НКА) ГЛОНАСС, могут отличаться от номинальных значений на относительную величину, не превышающую ±2 10-11;

- погрешность привязки шкалы системного времени ГЛОНАСС к шкале ЦТС^и) не превышает 1мкс.

Указанные характеристики СРНС ГЛОНАСС означают, что, принимая сигналы ГЛОНАСС с помощью соответствующей НАП, можно синхронизировать местные (наземные) шкалы времени со шкалой координированного времени UTC(SU) государственного первичного эталона с погрешностями в единицы микросекунд. Кроме того, с помощью этих же сигналов СРНС ГЛОНАСС могут быть определены (установлены) действительные значения частот наземных генераторов, относительные погрешности которых составляют ± 2 10-11 и менее.

Следует отметить, что приведенные выше характеристики являются «гарантированными» для СРНС ГЛОНАСС. Фактически же могут быть получены и бо-

12

лее высокие точности до ± 5 10" .

Сличение средств измерений времени и частоты при помощи компаратора с использованием эталонных сигналов частоты и времени предусмотрено в ГОСТ Р 8.129-99 [67], где применено понятие «....передачи размеров единиц времени и частоты и шкалы времени сличением с использованием сигналов времени и частоты, передаваемых по навигационным системам, по телевидению, радио и другим каналам связи».

Следовательно, ЭСЧВ - это средство передачи размеров единиц и шкал времени. Погрешности излучаемых ЭСЧВ указываются (регламентируются) в [58], а в МИ 2188-92 [107] даны соответствующие рекомендации по использованию ЭСЧВ для поверки мер времени и частоты.

В настоящее время некоторые НАП успешно прошли испытания с целью утверждения типа.

Навигационная аппаратура потребителя

Конструктивно НАП выполнена так, что она обеспечивает автоматическое определение поправки относительно шкалы времени КНС ГЛОНАСС (GPS) и автоматическую привязку местной шкалы времени (импульсной последовательности частотой 1 Гц) к шкале времени СРНС с погрешностью не более 100 нс.

При этом она также обеспечивает выдачу по интерфейсу RS-232C кода оцифровки меток местной шкалы времени и значений поправок на расхождение

местной шкалы времени относительно шкалы Государственного первичного эталона времени и частоты с округлением до 10 нс.

Таким образом, имеется техническая возможность «получать» высокоточное время (сигнал 1 Гц) систем ГЛОНАСС (GPS) на выходе приемника таких сигналов.

Использование эталонных сигналов частотой 1 Гц для поверки мер частот, то есть для определения их относительных погрешностей по частоте, предусмотрено в МИ 2188-92 и такой метод назван «фазово-временным методом сличения частот». Этот метод измерений применяется для мер относительно высокой точности и при больших временах измерения (интервалах времени наблюдения): 1 ч, 1 сут. и более.

Навигационная аппаратура потребителя, включенная в Госреестр средств измерений, имеет следующие точностные характеристики:

- предел допускаемой абсолютной погрешности измерения - поправки относительно шкалы времени UTC (SU) не более ± 100 не;

- предел допускаемой относительной погрешности измерения - относительная погрешность по частоте выходных сигналов за время измерения сутки

19

не более ±5-10- ;

- предел допускаемой относительной погрешности измерения - относительная погрешность по частоте выходных сигналов за время измерения 1 сут.

19

не более ± 1 • 10- .

Указанные относительные погрешности частотных измерений, проводимых с помощью утвержденных НАП, аналогичны погрешностям, обычно указываемым, например, в технических характеристиках на частотные компараторы и приемники-компараторы типа Ч7 и др.

Эталонные сигналы частоты и времени

В соответствии с [54, 107] можно определить два «способа» применения ЭСЧВ:

1) Прямой метод - метод использование ЭСЧВ как «удаленного - рабочего» эталона соответствующего разряда, т.е. непосредственное использование ЭСЧВ для поверки СИ.

2) Косвенный метод - метод использования ЭСЧВ как некоторого «третьего генератора» для проведения сличений эталонного стандарта частоты и поверяемого (контролируемого).

Соответствующие обобщенные схемы проведения измерений и получения значений относительных погрешностей по частоте До/ сличаемых мер приведены на рисунках 4.1.1 и 4.1.2.

Поверяе мый (контролируемый) стандарт частоты

«Удаленный» /'

эталон

А * =

/ - /

^ э ^ п

/о

--->

Компаратор (устройство сравнения)

ЭСЧВ (Т,Б)

Приемник ЭСЧВ

Т Т п 1 ~ 1 1 1 Тэ

1 1

дТп-э^о = Тп(11) - Тэ(11);

ДТп-э(12) = Тп(12) - Тэ(12)

Рис. 4.1.1 - Схема использования ЭСЧВ как «удаленного» эталона для проверки и контроля стандартов частоты

г

г

п

э

' ЭСЧВ {Т ч

{ («третий генератор»» ,

Эталонный стандарт часто-

Компаратор (устройство сравнения)

Приемник ЭСЧВ

Поверяемый (контролируемый) стандарт частоты

Приемник ЭСЧВ Компаратор (устройство сравнения)

----

. 1

ты

Рис. 4.1.2 - Схема использования ЭСЧВ как «третьего генератора» для проведения сличений эталонного и поверяемого (контролируемого) стандартов частоты

При прямом методе приемник СРНС ГЛОНАСС (вместе с необходимым дополнительным измерительным оборудованием) устанавливается на месте эксплуатации наземного стандарта частоты, где и производятся необходимые измерения.

Для реализации косвенного метода требуется установка двух приемников: на места эксплуатации каждого из сличаемых наземных стандартов частоты, при этом должен быть предусмотрен также обмен получаемыми результатами измерений или передача их на какое-то одно из двух мест размещения стандартов.

Схема измерений для определения относительной погрешности по частоте наземных стандартов по временным сигналам СРНС ГЛОНАСС показана на рисунке 4.1.3.

4.2 Типовые функциональные характеристики и параметры аппаратуры поверки стандартов частоты и времени и частотно-измерительных приборов по сигналам ГЛОНАСС/GPS

В настоящее время в России различными фирмами выпускается ряд приборов, которые можно использовать для целей сличения частот и ШВ местных стандартов с ШВ иТС ГЛОНАСС. Характеристики наиболее близких по функциональному назначению для этих целей приборов представлены в таблице 4.2.1.

Применение приемников-компараторов эталонных сигналов частоты и времени, передаваемых по различным радиоканалам, рекомендовано утвержденной Госстандартом РФ нормативно-технической документацией - МИ2188-92 [107]; ГОСТ Р8.129-99 [67] - при определении относительной погрешности по частоте и долговременной нестабильности частоты поверяемых генераторов.

С вводом в эксплуатацию СРНС ГЛОНАССЮРБ появилась возможность проведения поверок далеко удаленных высокоточных СЧВ с использованием сигналов СРНС. При этом применение приемника-компаратора возможно как в схеме использования ЭСЧВ в качестве «удаленного» эталона, так и в схеме использования ЭСЧВ в качестве «третьего генератора».

Из сравнения характеристик, приведенных в таблице 4.2.1, по точности синхронизации ШВ к ШВ ЦТС, и, учитывая другие отличительные положительные параметры приемника-компаратора ЧК7-56, как, например, наличие встроенной микро-РС, многофункциональность и наличие возможности использовать различные алгоритмы подстройки частоты и ШВ к Госэталону, возможности работы в диапазонах Ь1 и Ь2, приемка «5», следует сделать вывод о его предпочтительном использовании для целей сличения высокоточных стандартов частоты и времени.

а) б)

Рис. 4.1.3 - Схема проведения контроля (определения) действительного значения частоты наземных стандартов,

с помощью навигационных приемников сигналов систем ГЛОНАСС/GPS:

а) однократные измерения (измерения в «ручном» режиме);

б) многократные измерения в автоматическом режиме (использование ПЭВМ для измерений и обработки результатов)

Таблица 4.2.1 - Типовые характеристики и параметры НАП и аппаратуры поверки стандартов частоты и времени по

сигналам ГЛОНАСС/GPS

Параметры Одноплатный датчик НАВИОР-С СН-3834 Навигационно-временной приемник К-161 Аппаратура привязки ОАО «РИРВ» Измерительный приемоиндикатор МРК-33 СКТБ «Наука», Приемник-компаратор ЧК7-56 ФГУП «ННИПИ

ф. «НАВИС» ОАО «РИРВ» ИЛФ СО РАН «Кварц»

1 2 3 4 5 6

Принимаемые сигналы ОРБ-КЛУБТЛЯ (США) ГЛОНАСС, L1 ГЛОНАСС, L1 ГЛОНАСС, L1, ГЛОНАСС, L1,

спутниковых навигаци- ГЛОНАСС (Россия) GPS, L1 GPS, L1 L2, СТ-, ВТ-код L2, СТ- , ВТ-код

онных систем (СНС) WAAS, EGNOS GPS, L1 GPS, L1

Каналы приема 14 - 7 ГЛОНАСС+ + 7 КЛУБТЛЯ (параллельные) 16 (с произвольным распределением каналов между системами) 16 (нет данных) 24

Системы координат ШОБ-84, ПЗ-90, СК-42, пользовательская WGS-84, ПЗ-90, СК-42

Режимы работы при а) навигационный (в движе- а) дифференци- непрерывный, непрерывный с непрерывный

определении времени нии); б) с осреднением координат (неподвижное основание); в) с известными координатами; г) режим внешнего управления частотой и временем; д) автономный режим стабилизации частоты по датчикам температуры альный режим; б) одновременное использование сигналов ГЛОНАСС/ GPS круглосуточный определением угловой ориентации потребителя

1 2 3 4 5 6

Среднеквадратические

погрешности навигацион-

но-временных определе-

ний: координат, м 30 (ГЛОНАСС), 50 (GPS (SA)), 10 (гло- НАСС/GPS), 2,5(диффер.режим), не более по системе ГЛО-НАСС или GPS: по месту - 60; по высоте - 90; по системе GPS в режиме селективного доступа: по месту - 100; 0,02 2

скорости, м/с 0,05, не более; по высоте - 150 20

времени, ж 250, не более;

частоты (вариация Ал- ± 5-10-11

лана при т=1 с), o.e.

Погрешность формиро- 1 Гц; 100 нс 1 Гц; 60 нс при 1 Гц; 1/60 Гц; 50 нс нет данных 1 Гц; 50 не (35)

вания метки времени - (в режиме слежения известных коорди- СКО расхождения

ШВ относительно ШВ за НКА) натах; ШВ внешних СЧВ

UTC (СКО) 50 нс по спец. заказу; 250 нс при неизвестных координатах с ШВ ГЛОНАСС/ GPS -35/20 ж; СКО взаимного расхождения ШВ разнесенныхСЧВ 5 нс (до 100 км), 10 ж до 6000 км при заданных координатах с погрешностью не более 0,3 м

1 2 3 4 5 6

Среднее время начального определения при «горя-чем»/«теплом»/«холод-ном» старте, с 180 с /150 с, не более 20 с/ 50 с/150 с, не более - - 90 с («холодный»

Время возобновления решения после кратковременного (до 20 с) пропадания радиосигналов навигационных спутни- не более 2 - 6 с

Темп обновления информации навигационной 1 раз в 1 сутки 1 с

Параметры ШВ - «1РРБ»: -уровень сигнала (амплитуда импульса); -длительность импульса; -длительность фронта; -возможность сдвига импульсов ШВ с шагом 1 выход ТТЬ на 50 Ом 1 мкс 20 нс (для модификации датчика) 25 нс ТТЬ на 3 кОм (1,4 + 0,4) мкс 20 нс 2 выхода ТТЬ на 50 Ом (10 - 30) мкс 20 нс 10 нс

Выход синусоидального сигнала 10 МГц нет СКДО (АВАР) 310-11 за 1 с 10; 5; 1 МГц (по 2 выхода) Погрешность по 12 частоте ± 2 10-СКДО за 1; 10; 100 с - 1,510-11; 610-12; 310-12

1 2 3 4 5 6

Горячее резервирование нет - - - -

Условия эксплуатации: - диапазон рабочих тем- (0-60) °С (датчик) (-30-+70) °С (15-40) °С (устрой- на подвижных объектах (+5-+40) °С

ператур; - повышенная влажность (-60-+85) °С (антенна) 70% при 40 °С (датчик) 100% при 40 °С (антенна) 95 % при 40 °С ство сличений); (-50-+50) °С (блок антенный) 80 % при 25 °С (устр-во сличений); 100 % при 25 °С (блок антенный) 95 % при 40 °С

Время подготовки к работе, мин 30, не более 2 ч (время прогрева)

Электрические -

характеристики:

- напряжение питания, В; +(5 ± 0,2)В По постоянному току: для приемника 3,3 или 5,0 (ток не более 420мА); для активных антенн внутреннее 3,3 (ток не более 25 По переменному току: ~220 В; 50 Гц По переменному току: ~220 В; 50 Гц

- потребляемая мощ- 4,5 Вт мА); 1,35/0,8 Вт (при 15 В А, не более 160 В А (в режи-

ность (рабочий/ экономичный режим) 3,3В); 2,0/1,2 Вт (5 В) ме прогрева в течение 30 мин)

- энергозащищенность 300 мкА 120 ВА в н.у.

1 2 3 4 5 6

Габаритные размеры, мм 115x110x14 55x135x20 230x80x220 -устройство сличений; 0120x200 - блок антенный; 480x160x340

Масса, кг 0,12 0,1 1 - устройство сличений; 0,5 - блок антенный 12,5

Обмен информацией с

внешними устройствами:

- порты ввода, вывода; два порта RS-232, RS-422 два последователь- два последователь- средства передачи КОП; RS-232

NMEA0183, BINR ных порта RS-232 ных порта RS-232 данных в каналы

- скорость обмена, бит/с; SO-19200 связи

- частота обновления 8400 от 4800 до 38400 от 4800 до 38400

данных, Гц

- протокол обмена 1 BINARY; IEC61162 (NMEA 0183V.2.3); RINEX, RTCM SC-104 (V.2.2) 1 BINARY; IEC61162 (NMEA 0183V.2.3); RINEX, RTCM SC-104 (V.2.2)

Срок службы, лет 10 15 15

Наличие сертификата есть есть - есть

СИ ВН

4.3 Упрощенная структурная схема системы синхронизации приемника-компаратора сигналов ГЛОНАСС/GPS

СС приемника-компаратора определяет его точностные характеристики в основных режимах работы: синхронизация частоты и ШВ внутреннего опорного генератора (ОГ) с частотой и ШВ Госэталона по сигналам СРНС; определение относительной погрешности по частоте высокостабильного ОГ.

Поэтому задача снижения погрешности СС приемника-компаратора в режимах синхронизации частоты и ШВ является актуальной.

В основе принципа действия прибора лежит фазово-временной метод (ФВМ) определения относительной погрешности по частоте внутреннего или внешнего высокостабильного ОГ - измерение приращения (набега) разности фаз во временной области сигналов местной шкалы времени, формируемой из частоты встроенного или внешнего ОГ, и сигналов эталонных меток времени 1 Гц, формируемых по результатам приема и обработки сигналов СРНС ГЛОНАСС/GFS, и автоматической синхронизации по данным сравнения частоты и ШВ местного (встроенного рубидиевого или внешнего) генератора по эталонному сигналу.

Упрощенная структурная схема ФВМ и временные диаграммы сигналов приведены соответственно на рисунках 4.3.1 и 4.3.2.

Рис. 4.3.1 - Упрощенная структурная схема ФВМ

I 1 сек Вх.А 1« „

Т

Вх.В

То ДТ

1

Т1

Рис. 4.3.2 - Временные диаграммы ФВМ

т

о