Способ синхронизации часов и устройство для его реализации

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 ω_п равна или близка к второй промежуточной частоте ω_пр2 (ω_п=ω_пр2), то образуется канал прямого прохождения.

Если два или более мощных сигналов на частотах ω_I и ω_II появляются в полосе частот Δω_п1, расположенной "слева" от полосы пропускания Δω_п приемника, то при их взаимодействии на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п приемника в качестве интермодуляционных помех (фиг. 5).

Если два или более мощных сигналов на частотах ω_III и ω_IV появляются в полосе частот Δω_п2, расположенной "справа" от полосы пропускания Δω_п приемника, то при их взаимодействии на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п 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 ω_г2 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 ω_Э1, выделяют напряжение третьей промежуточной частоты

ω_пр3=ω_пр2+Ω_Д-ω_Э1,

преобразуют его по частоте с использованием напряжения второй эталонной частоты

ω_Э2=ω_пр2-ω_Э1-Ω₀,

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

выделяют напряжение низкой частоты

ω_Н=Ω_Д+Ω₀,

измеряют низкую частоту ω_Н и в зависимости от того ω_Н>Ω₀ или ω_Н<Ω₀, 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=τ_З, 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 ω_п, равной второй промежуточной частоте ω_пр2 (ω_п=ω_пр2), то его выделяют узкополосным фильтром, частота настройки ω_Н которого выбирается равной второй промежуточной частоте ω_пр2 (ω_Н=ω_пр2), инвертируют по фазе на 180° и суммируют с исходным сигналом, компенсируя его фазокомпенсационным методом, если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δω_п1, расположенную "слева" от полосы пропускания Δω_п приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п приемника в качестве интермодуляционных помех, то выделяют указанные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ω_н2 и полосу про пускания Δω_п1 которого выбирают следующим образом:

,

где ω_I и ω_II - 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 Δω_п2, расположенную "справа" от полосы пропускания Δω_п приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п приемника в качестве интермодуляционных помех, то выделяют узкополосные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ω_н2 и полосу пропускания Δω_п2 которого выбирают следующим образом:

, Δω_п2=ω_IV-ω_III,

где ω_IV и -ω_III - 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 t₁^A по часам первого пункта А с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α₁) (фиг. 2):

u_c(t)=U_с cos[ω_ct+ϕ_k(t)+ϕ_с], 0≤t≤Т_с,

где U_с, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

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

τ_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью Т_с (Т_с=Nτ_Э),

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

u_Г1(t)=U_Г1 cos(ω_Г1t+ϕ_Г1).

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

u_пр1(t)=U_пр1 cos[ω_пр1+ϕ_k(t)+ϕ_пр1], 0≤t≤T_c,

где ;

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр1=ω_с+ω_Г1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

ϕ_пр1=ϕ_с+ϕ_Г1,

которое после усиления в усилителе 7 мощности через дуплексер 8 и приемопередающую антенну 9 излучается в направлении ИСЗ-ретранслятора на частоте ω₁=ω_пр1.

В тот же момент времени t₁^A=t₁^B 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 t_c.

Ретранслированный сигнал (сигнал α₂) на частоте ω₂

u₂(t)=U₂ cos[(ω₂±Ω_Д)(t-τ_P)+ϕ_k(t-τ_З)+ϕ₂], 0≤t≤T_c,

где ±Ω_Д - 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:

u_Г2(t)=U_Г2 cos(ω_Г2t+ϕ_Г2),

u_Г3(t)=U_Г2 cos(ω_Г2t+ϕ_Г2+90°).

Причем частоты ω_Г1 и ω_Г2 первого 2.1 и второго 2.2 гетеродинов разнесены на значение второй промежуточной частоты (фиг. 4)

ω_Г2-ω_Г1=ω_пр2.

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

u_пр2(t)=U_пр2 cos[(ω_пр2±Ω_Д)(t-τ_З)+ϕ_k(t-τ_З)+ϕ_пр2],

u_пр3(t)=U_пр2 cos[(ω_пр2±Ω_Д)(t-τ_З)+ϕ_k(t-τ_З)+ϕ_пр2+90°], 0≤t≤Т_с,

где ;

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр2=ω_Г2-ω₂ - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр2=ϕ_Г2-ϕ₂.

Напряжение u_пр3(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение

u_пр4(t)=U_пр2 cos[(ω_пр2t±Ω_Д)(t-τ_З)+ϕ_k(t-τ_З)+ϕ_пр2+90°-90°]=

=U_пр2 cos[(ω_пр2t±Ω_Д)+ϕ_k(t-τ_З)+ϕ_пр2].

Напряжения u_пр2(t) и u_пр4(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

u_Σ(t)=U_Σ cos[(ω_пр2±Ω_Д)+ϕ_k(t-τ_З)+ϕ_пр2], 0≤t≤I_с,

где U_Σ=2U_пр2,

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

u₁(t)=U₁ cos(ω_U2t+ϕ_Г2), 0≤t≤T_c,

где ;

К₂ - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ω_н которого выбирается равной частоте ω_Г2 второго гетеродина 2.2 ω_н=ω_Г2), детектируется амплитудным детектором 25 и поступает на управляющий вход ключа 26, открывая его. В исходном состоянии ключ 26 всегда закрыт.

При этом напряжение u_Σ(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 u_Σ(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 ±Ω_Д. Для этого используется многократное преобразование частоты принимаемого сигнала. Оно необходимо потому, что относительное значение доплеровского сдвига Ω_Д/ω_2, равное отношению скоростей V_R/c, где V_R - 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 u_Σ(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 ω_Э1 с первого выхода блока 27 эталонных частот. На выходе смесителя 28 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 29 выделяется напряжение третьей промежуточной частоты

ω_пр3=ω_пр2+Ω_Д-ω_Э1,

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

ω_Э2=ω_пр2-ω_Э1-Ω₀,

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

.

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

ω_н=Ω_Д+Ω₀,

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

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

Суммарное напряжение u_Σ(t) так же поступает на первый вход второго перемножителя 34, на второй вход которого с выхода генератора 3 псевдослучайного сигнала подается шумоподобный СВЧ-сигнал u_c(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 τ_З (τ=τ_З), 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 τ_З 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 t₃^В=t₂^В+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 t₃^B=t₃^A 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 t₄^A и t₄^B соответственно (сигнал α₄, β₄).

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

τ₁=β₁⊗β₂=t₂^B-t₁^В=а₁+b₁+(Δ_В^И+Δ_В^П+ΔS)+Δt,

τ₂=α₃⊗α₄=t₄^A-t₃^A=a₃+b₂+(Δ_В^И+Δ_А^П+ΔS)-Δt,

τ₃=α₁⊗α₂=t₂^A-t₁^A=a₁+a₂+(Δ_А^И+Δ_А^П+ΔS),

τ₄=β₃⊗β₄=t₄^B-t₃^B=b₂+b₃+(Δ_В^И+Δ_В^П+ΔS)

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

,

где ,

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

Δ_А^И, Δ_В^И - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;

Δ_А^П, Δ_В^П - задержки сигналов в приемно-регистрирующей аппаратуре;

ΔS - задержка сигналов в бортовом ИСЗ-ретрансляторе;

Δt=t₁^B-t₁^A - искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.

Полагая a_j и b_j линейными функциями с производными , , получаем:

,

где

,

,

,

,

Δ_А,В', Δ_А,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)

u_З(t)=U_З cos(ω_Зt+ϕ_З), 0≤t≤T_З

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

u_пр5(t)=U_пр5 cos(ω_пр2t+ϕ_пр5),

u_пр6(t)=U_пр5 cos(ω_пр2t+ϕ_пр5-90°), 0≤t≤Т_З,

где ;

К₁ - коэффициент передачи усилителя;

ω_пр2=ω_З-ω_Г2 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр5=ϕ₃-ϕ_Г2.

Напряжение u_пр6(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется следующее напряжение:

u_пр7(t)=U_пр5 cos(ω_пр2t+ϕ_пр5-90°-90°)=-U_пр5 cos(ω_пр2t+ϕ_пр5), 0≤t≤Т_Р.

Напряжения u_пр5(t) и u_пр7(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются.

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

По аналогичной причине подавляется и ложный сигнал (помеха), принимаемый по второму комбинационному каналу на частоте ω_к2.

Если ложный сигнал (помеха) принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω_к1

u_K1(t)=U_K1 cos(ω_K1t+ϕ_K1), 0≤t≤Т_K1,

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

u_пр8(t)=U_пр2 cos(ω_пр2t+ϕ_пр8),

u_пр9(t)=U_пр8 cos(ω_пр2t+ϕ_пр8+90°), 0≤t≤T_K1,

где ;

ω_пр2=2ω_Г2-ω_К1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр8=ϕ_Г2-ϕ_К1.

Напряжение u_пр9(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение:

u_пр10(t)=U_пр8 cos(ω_пр2t+ϕ_пр8+90°-90°)=U_пр8 cos(ω_пр2t+ϕ_пр8), 0≤t≤Т_К1.

Напряжения u_пр8(t) и u_пр10(t) поступают на два входа сумматора 22, на выходе которого образуется следующее суммарное напряжение:

u_Σ1(t)=U_Σ1 cos(ω_пр2t+ϕ_пр8), 0≤t≤Т_К1,

где U_Σ1=2U_пр8.

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

u₂(t)=U₂ cos(2ω_Г2t+ϕ_Г2), 0≤t≤T_K1,

где .

Это напряжение не попадает в полосу пропускания узкополосного фильтра 24. Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по первому комбинационному каналу на частоте ω_К1, подавляется.

Если ложный сигнал (помеха) поступает по каналу прямого прохождения

u_п(t)=U_п cos(ω_пt+ϕ_п), 0≤t≤T_п,

где ω_п=ω_пр2,

то он поступает на первый вход второго сумматора 41, выделяется узкополосным фильтром 39, частота настройки ω_н1 которого равна второй промежуточной частоте ω_пр2, (ω_н1=ω_пр2,), инвертируется по фазе на 180° фазоинверторе 40

u_п1(t)=U_п cos(ω_пt+ϕ_g), 0≤t≤T_п

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

Следовательно, ложный сигнал (помеха), принимаемый по каналу прямого прохождения на частоте ω_п=ω_пр2, подавляется фильтром-пробкой, состоящим из узкополосного фильтра 39, фазоинвертора 40, сумматора 41, и реализующим фазокомпенсационный метод.

Если два или более мощных сигнала на частотах ω_I и ω_II попадают в полосу частот Δω_п, расположенную "слева" от полосы пропускания Δω_п приемника, то их взаимодействие на нелинейных элементах обеспечивают образование интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п приемника в качестве интермодуляционных помех. Указанные интермодуляционные помехи поступают на первый вход сумматора 44, выделяются полосовым фильтром 42, частота настройки ω_н2 и полоса пропускания Δω_п1 которого выбираются следующим образом:

,

где ω_I и ω_II - граничные частоты,

образующие полосу частот Δω_п1, 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 Δω_п1, расположенной "слева" от полосы пропускания Δω_п 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 Δω_п2, расположенной "справа" от полосы пропускания Δω_п приемника, то их взаимодействие на нелинейных элементах обеспечивает образование интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п в качестве интермодуляционных помех. Указанные интермодуляционные помехи поступают на первый вход сумматора 47, выделяются полосовым фильтром 45, частота настройки ω_н3 и полоса пропускания Δω_п2 которого выбираются следующим образом:

,

где ω_III и ω_IV - граничные частоты,

образующие полосу частот Δω_п2, 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 Δω_п2, расположенной "справа" от полосы пропускания Δω_п 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 ω_Г2 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 ω_Э1, 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 Ω_Д,

выделяют напряжение низкой частоты ω_Н=Ω_Д+Ω₀, измеряют низкую частоту ω_Н и в зависимости от того ω_Н>Ω₀ или ω_Н<Ω₀, 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=τ_Э, 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 ω_п, равной второй промежуточной частоте ω_пр2(ω_п=ω_пр2), то его выделяют узкополосным фильтром, частоту настройки ω_н которого выбирают равной второй промежуточной частоты (ω_н=ω_пр2), инвертируют по фазе на 180° и суммируют с исходным сигналом, компенсируя его фазокомпенсационным методом, если два или более мощных сигналов попадают в полосу частот Δω_пр1, расположенную "слева" от полосы пропускания Δω_п приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п приемника, в качестве интермодуляционных помех, то выделяют указанные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ω_н2 и полосу пропускания Δω_пр которого выбирают следующим образом:

, ,

где ω_I и ω_II - 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 Δω_п2, расположенную "справа" от полосы пропускания Δω_п приемника, и взаимодействие которых на нелинейных элементах приводит к образованию интермодуляционных составляющих, некоторые из которых попадают в полосу пропускания Δω_п приемника в качестве интермодуляционных помех, то выделяют указанные сигналы полосовым фильтром, частоту настройки ω_н3 и полосу пропускания Δω_п2 которого выбирают следующим образом:

, ,

где ω_III и ω_IV - 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.