СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2012 года по МПК G04C11/02 G04G7/00 

Предлагаемые способ и устройство относятся к технике связи и могут быть использованы с радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами, а также в службе единого времени и частот.

Известны способ и устройства синхронизации часов (авт. свид. СССР №№591.799, 614.416, 970.300, 1.180.835, 1.244.632, 1.278.800; патенты РФ №№2.001.423, 2.003.157, 2.040.035, 2.177.167, 2.292.574, 2.350.998, 2.386.159; B.C.Губанов, A.M.Финкельштейн, П.А.Фридман. Введение в радиоастрометрию. - М., 1983 и другие).

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются способ синхронизации часов (патент РФ №2.292.574, G04С 11/02, 2005) и устройство для его реализации, которые выбраны в качестве прототипов.

Указанные способ и устройство обеспечивают сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основаны на использовании дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор.

Основное достоинство дуплексного метода связи состоит в том, что в нем исключается длина трассы прохождения сигнала. Поэтому его точность в основном зависит от параметров бортового ретранслятора, типа используемого сигнала и техники измерения временных интервалов.

Для технической реализации известных способа и устройства используется супергетеродинный приемник, имеющий дополнительные каналы приема. В известных способе и устройстве дополнительные каналы подавляются различными техническими средствами.

Но с точки зрения расширения диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки гетеродина, а также одновременной дуплексной радиосвязи с несколькими наземными пунктами, целесообразно не подавлять, а использовать дополнительные каналы приема, проведя соответствующую их маркировку.

Технической задачей изобретения является расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки второго гетеродина и одновременной дуплексной радиосвязи с несколькими наземными пунктами путем использования дополнительных каналов приема.

Поставленная задача решается тем, что способ синхронизации часов, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на одновременном приеме разнесенными наземными пунктами шумоподобных СВЧ-сигналов с борта искусственного спутника Земли, когерентном преобразовании их 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-ретренслятором сигнала 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 той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают шумоподобный сигнал по основному каналу на частоте ω₂, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют первое и второе напряжение второй промежуточной частоты, второе напряжение второй промежуточной частоты сдвигают по фазе на -90°, суммируют с первым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное первое суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным 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 принимаемый шумоподобный сигнал по зеркальному каналу на частоте ω_З1 преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют третье и четвертое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают четвертое напряжение второй промежуточной частоты на +90°, суммируют с третьим напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное второе суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют второе гармоническое напряжение на частоте ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации второго суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_З в первый и третий пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, принимают шумоподобный сигнал по первому комбинационному каналу на частоте ω_К1, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжение второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют пятое и шестое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают шестое напряжение второй промежуточной частоты на -90°, суммируют с пятым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное третье суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют третье гармоническое напряжение на частоте 2ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации третьего суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_К1 в первый и четвертый пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, принимают шумоподобный сигнал по второму комбинационному каналу на частоте ω_К2, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют седьмое и восьмое напряжение второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают восьмое напряжение второй промежуточной частоты на +90°, суммируют с седьмым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное четвертое суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют четвертое гармоническое напряжение на частоте 2ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации четвертого суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_К2 в первый и пятый пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

Поставленная задача решается тем, что устройство синхронизации часов, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, геостационарный ИСЗ-ретренслятор, 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 псевдошумового сигнала, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, 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, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и первый измеритель задержек и их производных, выход которого является первым выходом наземного пункта, последовательно подключенных к второму выходу 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 первого измерителя задержек и их производных, последовательно подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на +90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на -90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено третьим фазовращателем на +90°, вторым сумматором, вторым перемножителем, вторым, третьим и четвертым узкополосными фильтрами, вторым, третьим и четвертым амплитудными детекторами, вторым, третьим и четвертым ключами, третьим, четвертым и пятым клипперами, третьим, четвертым и пятым буферными запоминающими устройствами, вторым, третьим и четвертым измерителями задержек и их производных, причем к выходу второго усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены третий фазовращатель на +90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, третий клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, третье буферное запоминающее устройство и третий измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является вторым выходом наземного пункта, к выходу первого перемножителя последовательно подключены третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, четвертый клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, четвертое буферное запоминающее устройство и третий измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является третьим выходом наземного пункта, к выходу второго перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, пятый клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, пятое буферное запоминающее устройство и четвертый измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является четвертым выходом наземного пункта.

Геометрическая схема расположения наземных пунктов А, В, С, D, Е и ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг.1, где введены следующие обозначения: О - центр масс Земли; d₁, d₂, d₃, d₄ - базы интерферометра, r - радиус-вектор ИСЗ-ретранслятора. Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов первого А и второго В пунктов представлена на фиг.2, где введены следующие обозначения: S, А, В - шкалы времени ИСЗ-ретранслятора и пунктов А и В соответственно. Структурная схема аппаратуры одного из пунктов (А), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг.3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов по частоте, показана на фиг.4.

Аппаратура наземного пункта А 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 3 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 смеситель 13, второй вход которого через второй гетеродин 2.2 соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель 14 второй промежуточной частоты, первый сумматор 22, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, первый узкополосный фильтр 24, первый амплитудный детектор 25, первый ключ 26, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 22, второй клиппер 15, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство 16 и первый измеритель 17 задержек и их производных, выход которого является первым выходом I наземного пункта, к второму выходу генератора 3 псевдослучайного сигнала последовательно подключены первый клипер 10, второй вход которого соединен с вторым входом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство 11, выход которого соединен с вторым входом первого измерителя 17 задержек и их производных. К выходу второго гетеродина 22 последовательно подключены первый фазовращатель 18 на +90°, третий смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, второй усилитель 20 второй промежуточной частоты и второй фазовращатель 21 на -90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 22. К выходу второго усилителя 20 второй промежуточной частоты последовательно подключены третий фазовращатель 27 на +90°, второй сумматор 28, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 14 второй промежуточной частоты, второй перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, второй узкополосный фильтр 30, второй амплитудный детектор 31, второй ключ 32, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 28, третий клиппер 33, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, третье буферное запоминающее устройство 34 и второй измеритель 35 задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства 11, а выход является вторым выходом II наземного пункта. К выходу первого перемножителя 23 последовательно подключены третий узкополосный фильтр 36, третий амплитудный детектор 37, третий ключ 38, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 22, четвертый клиппер 30, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, четвертое буферное запоминающее устройство 40 и третий измеритель 41 задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства 11, а выход является третьим III выходом наземного пункта. К выходу второго перемножителя 29 последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр 42, четвертый амплитудный детектор 43, четвертый ключ 44, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 28, пятый клиппер 45, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, пятое буферное запоминающее устройство 46 и четвертый измеритель 47 задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства 11, а выход является четвертым IV выходом наземного пункта.

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_ccos[ω_ct+φ_k(t)+φ_c], 0≤t≤T_c,

где U_c, ω_c, φ_c, T_c - 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 (K=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_Г1cos(ω_Г1t+φ_Г1).

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

u_пр1(t)=U_пр1cos[ω_пр1t+φ_k(t)+φ_k(t)+φ_пр1], 0≤t≤T_c,

где ;

K₁ - 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)=U₂cos[ω₂t+φ_k(t)+φ₂], 0≤t≤T_c,

принимается приемопередающей антенной 9 и через дуплексер 8 и усилитель 12 мощности поступает на первые входы второго 13 и третьего 19 смесителей и перемножителя 23. На вторые входы смесителей 13 и 19 подаются напряжения второго гетеродина 2.2:

u_Г2(t)=U_Г2(ω_Г2t+φ_Г2),

u_Г3(t)=U_Г2cos(ω_Г2t+φ_Г2+90°).

Причем частоты ω_Г1 и ω_Г2 первого 2.1 и второго 2.2 гетеродинов разнесены на вторую промежуточную частоту

ω_Г2-ω_Г1=ω_пр2.

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

u_пр2(t)=U_пр2 cos[ω_пр2(t)-φ_К1(t)+φ_пр2],

u_пр3(t)=U_пр2 cos[ω_пр2(t)-φ_К1(t)+φ_пр2+90°], 0≤t≤T_с,

где

ω_пp2=ω_Г2-ω₂ - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_пр2=φ_Г2-φ₂.

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

u_пр4(t)=U_пр2cos[ω_пр2t-φ_k(t)+φ_пр2+90°-90°]=

=U_пр2cos[ω_пр2t-φ_k(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_с.

Напряжения U_пр2(t) и U_пр4(t) с выхода усилителя 14 и фазовращателя 21 на -90° поступают на два входа первого сумматора 22, на выходе которого образуется первое суммарное напряжение

u_∑1(t)=U_∑1сos[ω_пр2t-φ_k1(t)+φ_пр2], 0≤t≤T_c,

где U_∑1=2U_пр2,

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

u₁(t)=U₁cos(ω_Г2t+φ_Г2), 0≤t≤T_с,

где ;

К₂ - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ω_н которого выбирается равной частоте 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.

Напряжение u_∑(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает на вход клиппера 15, где оно клиппируется и записывается в буферное запоминающее устройство 16. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.

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 ^B=t₂ ^B+Θ по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β₃). 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 ^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 ^В-t₁ ^В=a₁+b₁+(Δ_В ^И+Δ_В ^П+ΔS)+Δt,

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

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

τ₄=β₃⊗β₄=t₃ ^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 ^В-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'B', образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов А,В и ИСЗ-ретранслятора S.

Поправки γ на подвижность ИСЗ-ретренслятора 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 шумоподобный сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте ω_З

u_З(t)=U_Зcos[ω_Зt+φ_K2(t)+φ_З], 0≤t≤T_З,

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

u_пр5(t)=U_пр5cos[ω_пр2t+φ_K2(t)+φ_пр5],

u_пр6(t)=U_пр5cos[ω_пр2t+φ_K2(t)+φ_пр5-90°], 0≤t≤T_З,

где

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

φ_пр5=φ_З-φ_Г2.

Напряжение u_ПP6(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:

u_ПР7(t)=U_ПР5cos[ω_ПР2t+φ_К2(t)+φ_ПР5-90°-90°]=

=-U_ПР5cos[ω_ПР2t+φ_К2(t)+φ_ПР5],

u_ПР8(t)=U_ПР5cos[ω_ПР2t+φ_K2(t)+φ_ПР5-90°+90°]=

=U_ПР5cos[ω_ПР2t+φ_К2(t)+φ_K2(t)+φ_ПР5], 0≤t≤T_З.

Напряжения u_ПР5(t) и u_ПР7(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются.

Напряжения u_ПР5(t) и u_ПР8(t) поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого образуется второе суммарное напряжение

u_∑2(t)=U_∑cos[ω_пp2t+φ_К2(t)+φ_ПР5], 0≤t≤Т_З,

где U_∑2=2U_ПР5,

которое поступает на второй вход второго перемножителя 29, на первый вход которого подается принимаемый шумоподобный сигнал u_З(t) с выхода второго усилителя 12 мощности. На выходе перемножителя 29 образуется гармоническое напряжение

u₂(t)=U₂cos(ω_Г2t+φ_Г2), 0≤t≤T_З,

где ,

которое выделяется вторым узкополосным фильтром 30, детектируется вторым амплитудным детектором 31 и поступает на управляющий вход второго ключа 32, открывая его. В исходном состоянии ключи 32, 38 и 44 всегда закрыты.

Следует отметить, что частота ω_Н1 настройки узкополосного фильтра 30 выбирается равной частоте второго гетеродина 22 ω_Н1=ω_Г2, а частота ω_Н2 настройки узкополосных фильтров 36 и 42 выбирается равной второй гармонике частоты второго гетеродина 22 ω_Н2=2ω_Г2.

Второе суммарное напряжение u_∑2(t) с выхода второго сумматора 28 через открытый второй ключ 32 поступает на вход второго клипера 33, где оно клиппируется и записывается во второе буферное запоминающее устройство 34. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени. Затем определяют временную задержку прихода одного и того же шумоподобного сигнала на частоте ω_З в первый А и третий С пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

Если шумоподобный сигнал

u_К1(t)=U_К1cos[ω_К1t+φ_K3(t)+φ_К1], 0≤t≤T_K1,

принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω_K1, то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

u_ПР9(t)=U_ПР9cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_ПР9],

u_ПР10(t)=U_ПР9cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_ПР10+90°], 0≤t≤T_К1,

где ;

ω_ПР2=2ω_Г2-ω_К1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_ПР9=φ_Г2-φ_К1.

Напряжение U_ПР10(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:

u_ПР11(t)=U_ПР9 cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_пр9+90°-90°]=

=U_ПР9 cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_пр9],

u_ПР12(t)=U_ПР9 cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_ПР9-90°+90°]=

=-U_ПР9 cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_ПР9], 0≤t≤T_К1,

Напряжения u_ПР9(t) и u_ПР12(t), поступающие на два входа сумматора 28, на его выходе компенсируются.

Напряжения u_ПР9(t) и u_ПР11(t) поступают на два входа сумматора 27, на выходе которого образуется третье суммарное напряжение

u_∑3(t)=U_∑3cos[ω_ПР2t-φ_К3(t)+φ_пр9], 0≤t≤T_К1,

где U_∑3=2U_ПР9,

которое поступает на второй вход первого перемножителя 23, на второй вход которого подается принимаемый шумоподобный сигнал u_К1(t) с выхода второго усилителя 12 мощности. На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое напряжение

u_З(t)=U_Зcos(2ω_Г2t+φ_г2), 0≤t≤Т_к1,

где ;

которое выделяется третьим узкополосным фильтром 36, детектируется третьим амплитудным детектором 31 и поступает на управляющий вход третьего ключа 38, открывая его. При этом суммарное напряжение u_∑3(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 38 поступает на вход клипера 39, где оно клиппируется и записывается в третье буферное запоминающее устройство 40. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени. Затем определяют временные задержки прихода одного и того же шумоподобного сигнала на частоте ω_К1 в первый А и четвертый D пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

Если шумоподобный сигнал

u_К2(t)=U_К2cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_К2], 0≤t≤T_К2,

принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_К2 (фиг.4), то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

u_ПР13(t)=U_ПР13cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13],

u_ПР14(t)=U_ПР13cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13-90°], 0≤t≤Т_К2,

где ;

ω_ПР2=ω_К2-2ω_Г2 - вторая промежуточная (разностная) частота;

φ_пр13=φ_К2-φ_Г2.

Напряжение U_ПР14(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:

u_ПР15(t)=U_ПР13cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13-90°-90°]=

=-U_ПР13cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13],

u_ПР16(t)=U_ПР13cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13-90°+90°]=

=U_ПР13cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13].

Напряжения u_ПР13(t) и u_ПР15(t), поступающие на два входа сумматора 22, на выходе компенсируются.

Напряжения u_ПР13 и u_ПР16(t) поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого образуется четвертое суммарное напряжение

u_∑4(t)=U_∑4cos[ω_ПР2t+φ_К4(t)+φ_ПР13], 0≤t≤Т_К2,

где U_∑4=2U_ПР13,

которое поступает на второй вход второго перемножителя 29, на первый вход которого подается принимаемый шумоподобный сигнал u_К2(t) с выхода второго усилителя 12 мощности. На выходе перемножителя 29 образуется гармоническое напряжение

u₄(t)=U₄cos(2ω_Г2t+φ_Г2), 0≤t≤T_К2,

где

которое выделяется четвертым узкополосным фильтром 42, детектируется четвертым амплитудным детектором 43 и поступает на управляющий вход ключа 44, открывая его. При этом суммарное напряжение u_∑4(t) с выхода сумматора 28 через открытый ключ 44 поступает на вход клипера 45, где оно клиппируется и записывается в четвертое буферное запоминающее устройство 46. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени. Затем определяют временную задержку прихода одного и того же шумоподобного сигнала на частоте ω_К2 в первый А и пятый Е пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

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.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки второго гетеродина и одновременной дуплексной радиосвязи каждого наземного пункта с четырьмя другими наземными пунктами с помощью одного геостационарного ИСЗ-ретранслятора. Это достигается использованием дополнительных каналов приема: зеркального, первого и второго комбинационных каналов.

Изобретение относится к технике связи и радиолокации и может быть использовано для сличения шкал времени, разнесенных на большие расстояния. Изобретение направлено на расширение диапазона рабочих частот без расширения диапазона частотной перестройки второго гетеродина и одновременной дуплексной радиосвязи с несколькими наземными пунктами путем использования дополнительных каналов приема, что обеспечивается за счет того, что устройство содержит геостационарный ИСЗ-ретранслятор и четыре наземных пункта, каждый из которых содержит стандарт частоты и времени, два гетеродина, генератор псевдошумового сигнала, переключатель, три смесителя, усилитель первой промежуточной частоты, два усилителя мощности, дуплексер, приемопередающую антенну, пять клипперов, пять буферных запоминающих устройств, четыре измерителя задержек и их производных, три фазовращателя на +90° и -90°, два усилителя второй промежуточной частоты, два перемножителя, четыре узкополосных фильтра, четыре амплитудных детектора, два сумматора, четыре ключа. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

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 той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают шумоподобный сигнал по основному каналу на частоте ω₂, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина сдвинутого по фазе на +90°, выделяют первое и второе напряжения второй промежуточной частоты, второе напряжение второй промежуточной частоты сдвигают по фазе на -90°, суммируют с первым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное первое суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки принимаемого сигнала, отличающийся тем, что принимают шумоподобный сигнал по зеркальному каналу на частоте ω_З, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют третье и четвертое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают четвертое напряжение второй промежуточной частоты на +90°, суммируют с третьим напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное второе суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным напряжением, выделяют второе гармоническое напряжение на частоте ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации второго суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_З в первый и третий пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, принимают шумоподобный сигнал по первому комбинационному каналу на частоте ω_К1, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют пятое и шестое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают шестое напряжение второй промежуточной частоты на -90°, суммируют с пятым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное третье суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют третье гармоническое напряжение на частоте 2ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации третьего суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_К1 в первый и четвертый пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, принимают шумоподобный сигнал по второму комбинационному каналу на частоте ω_К2, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют седьмое и восьмое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают восьмое напряжение второй промежуточной частоты на +90°, суммируют с седьмым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное четвертое суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют четвертое гармоническое напряжение на частоте 2ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации четвертого суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_К2 в первый и пятый пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

2. Устройство 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, второй усилитель мощности, 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, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй клипер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и первый измеритель задержек и их производных, выход которого является первым выходом наземного пункта, последовательно подключенные к второму выходу генератора псевдослучайного сигнала первый клипер, 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, последовательно подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на +90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на -90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, отличающееся тем, что оно снабжено третьим фазовращателем на +90°, вторым сумматором, вторым перемножителем, вторым, третьим и четвертым узкополосными фильтрами, вторым, третьим и четвертым амплитудными детекторами, вторым, третьим и четвертым ключами, третьим, четвертым и пятым клиперами, третьим, четвертым и пятым буферными запоминающими устройствами, вторым, третьим и четвертым измерителями задержек и их производных, причем к выходу второго усилителя второй промежуточной частоты последовательно подключены третий фазовращатель на +90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, третий клипер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, третье буферное запоминающее устройство и третий измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является вторым выходом наземного пункта, к выходу первого перемножителя последовательно подключены третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, четвертый клипер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, четвертое буферное запоминающее устройство и третий измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является третьим выходом наземного пункта, к выходу второго перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, пятый клипер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, пятое буферное запоминающее устройство и четвертый измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является четвертым выходом наземного пункта.