ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА СИНХРОНИЗАЦИИ Российский патент 2025 года по МПК H04B7/00 H04L7/00 

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам высокостабильной синхронизации времени и частоты на глобальных масштабах расстояний.

В отечественных и зарубежных патентах описаны разные подходы к решению проблемы синхронизации времени.

Известны системы телекоммуникаций, основанные на представлении данных в виде цифровых сигналов и включающие устройства частотно-временной синхронизации, обеспечивающие относительно высокую надежность приема/передачи данных. К таким системам относится, например, «Устройство и способ передачи данных» [заявка WO 9522859 A1, опубл. 24.08.1995 и ее аналог - заявка на изобретение RU 96118492 A, МПК: H04B 1/707, опубл. 27.11.1998]. В данном техническом решении устройство для передачи данных содержит средство представления данных в виде последовательности цифровых сигналов символов, причем цифровые сигналы символов выбираются из набора, который включает более двух уникальных цифровых сигналов символов, каждый из которых характеризуется продолжительностью символа, средство, генерирующее код прямой последовательности расширения спектра, средство умножения, обеспечивающее перемножение кода прямой последовательности расширения спектра с цифровыми сигналами символов для получения модулированного сигнала, средство передачи модулированного сигнала. При этом средство, генерирующее тактирующие сигналы, включает средство синхронизации по входному сигналу для обеспечения синхронизации тактирующего сигнала с входным сигналом.

Основным недостатком такой системы является низкая степень локальной синхронизации, привязанная к коммерчески доступным генераторам и эталонам точного времени.

Известны и другие способы синхронизации каналов связи, например, «Способ синхронизации канала связи» [патент на изобретение RU 2099888 C1, МПК: H04L 7/00, опубл. 20.12.1997], в котором повышение помехоустойчивости синхронизации канала связи достигается за счет использования временного и частотного сдвигов в преобразовании Фурье.

Известно также изобретение «Устройство синхронизации часов» [заявка на изобретение RU 94022542 A1, МПК: G04C 11/02, опубл. 27.01.1996], цель которого - уменьшение аномальных ошибок при измерении временных интервалов. Это устройство содержит ретранслятор, размещаемый на искусственном спутнике Земли (ИСЗ), и два наземных пункта, содержащих эталоны частоты и времени, а также приемо-передающие комплексы.

В патенте на изобретение RU 2040035 C1 [МПК: G04C 11/02, опубл. 20.07.1995] предлагается способ синхронизации часов для сличения шкал времени, разнесенных на большие расстояния. При этом для повышения оперативности результатов, сличения удаленных шкал времени этим способом предусматривается, что перед началом сеанса передачи шкал времени осуществляют измерение значений временных задержек в передающей и приемной аппаратуре первой А и второй В станций. В начальный момент времени по часам первой станции А с помощью кодовой последовательности формируют шумовой сигнал СВЧ на частоте f_c = f_пр и регистрируют его на этой же станции. Сформированный сигнал задерживают по времени на величину разности значений временных задержек в передающей и приемной аппаратуре первой станции А, и задержанный сигнал преобразуют на частоту f = f_np. Преобразованный сигнал усиливают по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении на ИСЗ-ретранслятор, принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте f₁, переизлучают его в станцию В на частоте f₂ с сохранением фазовых соотношений, на интервале времени t_c принимают ретранслированный сигнал в станции В. Достигаемая при этом степень синхронизации не отвечает современным требованиям.

В патенте на изобретение RU 2177167 C2 [МПК: G04C 11/02, H04K 1/00, опубл. 20.12.2001] описано устройство синхронизации часов, которое содержит геостационарный ИСЗ-ретранслятор и первую и вторую наземные станции. Каждая наземная станция содержит эталон времени и частоты, генератор псевдошумового сигнала и аналоговый и цифровой дескремблеры. Генератор псевдошумового сигнала каждой станции содержит аналоговый и цифровой скремблеры. Такая схема устройства обеспечивает сличение шкал времени удаленных друг от друга наземных станций, а также позволяет осуществлять обмен конфиденциальной аналоговой и дискретной информацией с защитой от несанкционированного доступа, однако, она не решает проблемы высокоточной синхронизации времени.

В патенте на изобретение США US 5717404 A [МПК: G01C15/00; G01S1/00; G01S19/48, опубл. 10.02.1998] «Система определения спутниковых эфемерид с использованием методов GPS-слежения» делается попытка решить вторую сторону проблемы, а именно, определить пространственные координаты объекта с использованием ИСЗ. Однако, отсутствие решения проблемы синхронизации времени резко снижает степень точности определения координат. Шкалы времени и частоты создаются на базе эталонных систем времени и частот, сигналы которых распространяются соответствующими национальными и международными службами. Геодезические данные, навигационные сигналы и сигналы точного времени доставляются к потребителю с использованием всех видов связи. Для всех систем космической геодезии является характерной задержка по времени между измерениями, обработкой, получением и использованием результатов пользователями. Величина задержки зависит от времени, необходимого для сбора глобальных данных, их обработки, анализа и передачи пользователям. Задержка является различной для различных систем и может достигать величины от нескольких суток до нескольких месяцев. За этот период времени параметры системы изменяются и на текущий момент пользователю предоставляются параметры о прошлом состоянии системы или в лучшем случае прогноз состояния с погрешностью, зависящей от интервала времени, прошедшего от момента измерения до настоящего момента. Это ограничивает точность измерений и синхронизации шкал времени и частоты. Синхронизация шкал времени с помощью космических навигационных систем, межрегиональный обмен данными осуществляется с использованием плезиохронных методов синхронизации потоков данных. По мере возрастания скоростей обмена данными размеры синхронизирующих буферов могут стать технически нереализуемыми. Степень синхронизации напрямую связана с уровнем шумов в телекоммуникационном канале и с пропускной способностью канала.

Пропускная способность канала связи характеризуется количеством двоичных символов, передаваемых за единицу времени, и определяется формулой Шеннона: П = Flog₂(l+Ps/P_N), где F - полоса пропускания канала, P_S и P_N - средняя мощность сигнала и шума на конечном интервале времени Т=Тп+Тс+T_S. Для систем с использованием встроенных синхроимпульсов или самосинхронизирующихся кодов необходимо осуществить поиск синхросигнала за время Тп, войти в режим синхронизма за время Тс и поддерживать его с погрешностью ΔT. При постоянной средней мощности шума на интервале Т средняя мощность сигнала выражается как P_S = P_N(1+(Тп+Тс)/Т). Для синхронизации системы затраты времени на поиск синхросигнала и вхождение в синхронизм близки к нулю и отношение сигнал/шум близки к максимальному значению, равному отношению средней мощности P_N информационного сигнала к средней мощности шума. В синхронизованной системе отношение сигнал/шум зависит от относительной погрешности синхронизации ΔT/T_t и определяется выражением, где T_t - период тактирующего сигнала. Для канала связи с тактовой частотой 1 ГГц и периодом 1нс допустимую погрешность синхронизации можно оценить величиной 100 пс при потерях отношения сигнал/шум, равных 10% от максимального значения.

Практическое использование технологии радиоинтерферометрической сети со сверхдлинными базами (РСДБ) для решения частной задачи по глобальной синхронизации систем телекоммуникаций описано в патентах на изобретения RU 2166234 C1 [МПК: H04B 7/00, опубл. 27.04.2001] «Глобальная высокоскоростная телекоммуникационная система» и RU 2274953 C1 [МПК: H04B 7/00, G01S 1/00, опубл. 20.04.2006] «Пространственно-временная система реального времени», в которых описаны приёмы высокоточных прямых измерений в пространстве и технология применения высокоточной синхронизации, а также в патенте на изобретение RU 2291558 C2 [МПК: H03L 7/00, опубл. 10.01.2007] «Способ и устройство для синхронизации пространственно-временной системы реального времени», в котором описаны способы работы синхронизатора обрабатывающего сигналы многоэлементных синтезированных антенных решёток, принципиальная схема и действующая конструкция синхронизаторов. Эти решения являются наиболее близкими к заявляемому изобретению, поскольку они включают основные элементы предлагаемой идеи создания глобальной системы синхронизации времени и частоты, и предусматривают использование метода когерентного приема и обработки сигналов от внегалактических источников на основе технологии РСДБ.

Технология синхронизации пунктов РСДБ в настоящее время является жизнеспособной альтернативой менее надежным глобальным навигационным спутниковым системам ГЛОНАСС, GPS, Galileo, BeyDou или более дорогому методу двусторонней спутниковой передачи времени и частоты TWSTFT, что подтверждено работами российских и зарубежных специалистов.

Эксперименты в России, проводимые с 1985 года астрономическими организациями ИКИ РАН, САО РАН, ИЛА РАН, ОКБ МЭИ и другими, окончились вводом в эксплуатацию канала связи между антеннами радиотелескопов ТНА-1500 и ТНА-1500К в Калязине со скоростью 10 Гбит/с для обеспечения передачи данных РСДБ и синхронизации водородных стандартов аппаратно-программных комплексов наземных комплексов управления (НКУ) космическими аппаратами для дальнего космоса (ДКА) с прецизионной точностью 10^-19.

В экспериментах в Европе использовалась инфраструктура 25 итальянской линии связи для синхронизации времени и частоты (LIFT). Результаты проекта MetGeSp были направлены на создание общих высокостабильных часов между двумя антеннами. LIFT - это инфраструктура, способная доставлять стандартные частотные сигналы от Итальянского института метрологии (INRiM) в Турине в удаленные точки через волоконно-оптическую линию связи с беспрецедентной стабильностью порядка 10^-19 стандартного отклонения Аллана (AVAR), также известного как дисперсия с двумя выборками, которое является мерой стабильности частоты в тактовых импульсах, генераторах и усилителях.

В работах под руководством Мамуру Секидо (Mamoru Sekido) из NICT для реализации технологии РСДБ в области синхронизации глобально разнесённых эталонов использовали два специальных радиотелескопа, один из которых был установлен в Японии, а другой - в Италии. Эти телескопы вели наблюдения в широком диапазоне частот антеннами диаметром всего 2,4 метра, которые можно перемещать. Чтобы достичь требуемой чувствительности, тестовые испытания проводились с 14 октября 2018 года по 14 февраля 2019 года. Маленькие антенны работали в тандеме с более крупным 34-метровым радиотелескопом в Кашиме, Япония. В результате были синхронизированы оптические часы, работающие на разных атомных источниках, расположенные на разных континентах на расстоянии 8700 километров друг от друга. Часы в INRJM в Италии используют иттербий, а часы в NICT в Японии - стронций. В качестве источников сигнала наблюдались квазары, находящиеся на расстоянии несколько миллиардов световых лет.

Сотрудниками из Университета Астон в Великобритании в сотрудничестве с исследователями из Nokia Bell Labs в США и Национального института информационно-коммуникационных технологий (NICT) в Японии удалось передать 301 Тб/с по одному стандартному кабелю. Они использовали дополнительные диапазоны длин волн в оптоволоконных кабелях, а именно С- и L-диапазоны, которые в настоящее время не используются для отправки данных. Но исследовательская группа задействовала сосуществующие Е- и S-диапазоны для значительного повышения скорости.

Технический результат заявленного изобретения заключается в создании глобальной системы синхронизации времени и частоты с применением технологии радиоинтерферометрических непрерывных измерений положений земной опорной системы координат в пространстве относительно положений внегалактических источников с обеспечением формирования, хранения и передачи эталонных частот потребителю с относительной погрешностью 10^-16 и менее и сигналов точного времени с погрешностью 0,1 нс и менее.

Дополнительным преимуществом глобальной системы синхронизации времени и частоты (ГССВЧ) является возможность ее использования в| качестве резервной системы синхронизации часов на глобальных масштабах расстояний независимо от состояния любых существующих систем, включая спутниковые системы различного назначения.

Указанный технический результат изобретения достигается за счет того, что глобальная система синхронизации времени и частоты (ГССВЧ) содержит:

- глобальный радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ), включающий разнесенные радиоприемные фундаментальные опорные пункты (ФОП) и радиоприемные прикладные наземные пункты (ПНП), причем каждый из пунктов ФОП РСДБ содержит радиотелескоп с эталоном времени и частоты, а каждый из пунктов ПНП РСДБ содержит радиотелескоп с эталоном времени и частоты и однобазовый многоканальный коррелятор, при этом радиотелескопы пунктов ФОП и ПНП РСДБ образуют глобальную фазированную антенную решётку с суммарной площадью, равной сумме эффективных площадей входящих в нее радиотелескопов,

- центр сбора и обработки данных, включающий управляющий компьютер с центральным коррелятором, который осуществляет прием исходного цифрового потока сигналов с пунктов ФОП РСДБ, представляющего линейную сумму сигналов от всех ФОП, коррекцию исходного цифрового потока для определения поправок шкал времени и частоты, а управляющий компьютер обеспечивает управление и синхронизацию работы радиотелескопов пунктов РСДБ, сбор, обработку и анализ данных, получаемых радиотелескопами пунктов РСДБ, и формирование опорной системы отсчета РСДБ,

- узловые магистральные центры коммутации и синхронизации (УМЦКС), оснащенные ПНП, интерфейсом приёма данных с пунктов РСДБ, от центра сбора и обработки данных и интерфейсом передачи сигналов синхронизации времени и частоты потребителю,

- приемные пункты потребителей, каждый из которых содержит радиотелескоп с антенной малого диаметра, равного или меньшего диаметру антенн радиотелескопов ПНП, однобазовый многоканальный коррелятор, выполняющий корреляционные измерения для компаунд-интерферометра, база которого образована парами из приемного пункта потребителя и пункта ПНП, при этом координаты и поправки шкал времени и частоты приемного пункта потребителя определяются относительно опорной системы отсчета РСДБ автономно в реальном времени в режиме самоопределения,

- магистральные сети связи, включающие и оптические, волоконно-оптические и спутниковые каналы связи, соединяющие между собой ФОП, ПНП, центр сбора и обработки данных, УМЦКС и приемные пункты потребителей, и обеспечивающие интеграцию глобальной системы синхронизации времени и частоты со следующими системами: фазовыми и импульсно-фазовыми радионавигационными системами, системами радиолокации и радиоуправления, сетями мобильной связи, локальными системами частотно-временной синхронизации, космическими навигационными системами,

при этом глобальная система синхронизации времени и частоты выполнена с возможностью:

- осуществления непрерывных радиоинтерферометрических измерений текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов от внегалактических источников излучения с известными координатами;

- обработки результатов измерений, при которой получают последовательность дискретных текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов;

- определения параметров баз глобального радиоинтерферометра, разности часов и ошибок синхронизации значений сигналов времени и опорной частоты между радиотелескопами пунктов РСДБ на основании результатов обработки радиоинтерферометрических измерений;

- передачи ошибок синхронизации времени и частоты на каждый из пунктов РСДБ в виде поправок значений опорной частоты и значений сигнала времени,

- формирования суммарного сигнала ошибок синхронизации времени и частоты от всех радиотелескопов пунктов РСДБ, и передачи суммарного сигнала параллельно по магистральным сетям связи;

- осуществления непрерывной синхронизации единиц времени и частоты ФОП по отношению к эталонам времени и частоты пунктов РСДБ и интегрированным системам;

- обеспечения возможности работы приемных пунктов потребителей в режиме компаунд-интерферометра посредством подключения потребителей к опорной системе отсчета РСДБ с помощью передачи высокоточных сигналов синхронизации времени и частоты от ФОП и ближайшего к потребителю ПНП по магистральным сетям связи для синхронизации времени и частоты и определения пространственно-временного положения потребителя относительно опорной системы отсчета РСДБ.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что ГССВЧ выполнена с возможностью непрерывных измерений текущих значений сигналов от внегалактических источников, представляющих собой один или несколько из квазаров.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что ГССВЧ выполнена с возможностью непрерывных измерений текущих значений сигналов от искусственных источников радиосигналов воздушно-космического базирования.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что УМЦКС совмещены с точками установки вышек операторов мобильной связи с интервалом 500 км и более и интегрированы в глобальную систему синхронизации времени и частоты через интерфейс подключения к радиотелескопам ПНП.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что ГССВЧ выполнена с возможностью интегрирования с системами наземного метрологического обеспечения глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и геостационарными спутниками-ретрансляторами магистральной связи посредством магистральной сети связи.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что антенны радиотелескопов радиоприемных пунктов РСДБ представляют собой полноповоротную рефлекторную параболическую антенну, при этом радиотелескоп фундаментального опорного пункта РСДБ включает антенну большого диаметра, равного 32-70 м, а радиотелескоп прикладного наземного пункта РСДБ включает антенну большого диаметра, равного 12-32 м, либо антенну малого диаметра, равного 1-3 м. Кроме того, радиотелескоп прикладного наземного пункта РСДБ может быть выполнен транспортируемым либо мобильным. При этом приемный пункт потребителя включает радиотелескоп с антенной малого диаметра, равного 1-3 м.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что магистральные сети связи выполнены с возможностью передачи данных со скоростью более 10 Гбит/с в каждом частотном канале, и с агрегированной скоростью 10 Тбит/с и более.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что корреляторы ФОП РСДБ выполнены с возможностью формирования каркаса главного зеркала глобальной фазированной решётки радиоинтерферометра, образованного радиотелескопами пунктов РСДБ.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что корреляторы центра сбора и обработки данных и ПНП выполнены в виде одного из: коррелятора процессорных вычислений на микросхемах, сверхбольших интегральных схемах (СБИС) или программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), программно-аппаратного коррелятора, суперкомпьютера, программируемого сервера с графическими ускорителями, сетевого коррелятора на GRID-решениях.

Дополнительно технический результат изобретения достигается за счет того, что эталон времени и частоты радиоприемного пункта РСДБ включает сервер протокола точного времени (PTP-сервер), формирователь шкалы времени, цезиевый стандарт частоты и времени, водородный стандарт частоты и времени, частотный компаратор, временной компаратор.

Заявленное изобретение поясняется чертежами (фигуры 1-4), на которых показано:

фиг. 1 - общая схема глобальной системы синхронизации времени и частоты;

фиг. 2 - схема взаимодействия различных элементов ГССВЧ;

фиг. 3 - схема дифференциальных разностно-дальномерных измерений РСДБ;

фиг. 4 - схема определения положения объекта дифференциальным радиолокационным РСДБ;

и позициями обозначены:

1 - внегалактическая опорная система координат (ВОСК);

2 - фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС);

3 - фундаментальные опорные пункты (ФОП) радиоинтерферометра со сверхдлинными базами (РСДБ);

4 - государственная система частотно-временной синхронизации (ГСЧВС);

5 - магистральные сети связи (МСС);

6 - космическая навигационная система (КНС);

7 - фазовые и импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРС);

8 - сети мобильной связи (СМС);

9 - прикладные наземные пункты (ПНП) РСДБ;

10 - узловые магистральные центры коммутации и синхронизации УМЦКС;

11 - приемные пункты потребителей (ППП);

12 - приемные радиотелескопы;

13 - центр сбора и обработки данных (ЦСОД) с центральным коррелятором;

14 - внегалактические источники излучения - квазары;

15 - космический аппарат (КА);

16 - искусственный спутник Земли (ИСЗ).

Изобретение направлено на создание магистральных высокоскоростных синхронных цифровых сетей телекоммуникаций и организацию резервных, высокостабильных систем синхронизации времени и частоты при распространении сигналов точного времени на глобальных масштабах расстояний для обеспечения фундаментальных и прикладных задач потребителей высокоточных измерений положений объектов во времени и пространстве в режиме реального времени, независимо от состояния любых существующих систем, включая спутниковые системы различного назначения. Кроме того, изобретение может быть использовано при обеспечении безопасности программных продуктов по управлению и контролю за действиями искусственного интеллекта и при построении многослойных нейросетей методом высокоточной синхронизации меток времени периодов и переходов при постановке и выполнении поставленных задач аппаратно-программными комплексами.

В технологическом процессе ГССВЧ используется метод когерентного приема и обработки сигналов от внегалактических источников, который гарантирует непрерывность высокостабильной синхронизации времени и частоты на глобальных расстояниях.

Глобальная система синхронизации времени и частоты (ГССВЧ) включает в себя глобальный радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ), центр сбора и обработки данных 13, узловые магистральные центры коммутации и синхронизации (УМЦКС) 10, приемные пункты потребителей 11, и магистральные сети связи 5.

Радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ) включает разнесенные по широте и долготе радиоприемные фундаментальные опорные пункты (ФОП) 3 и радиоприемные прикладные наземные пункты (ПНП) 9.

Каждый пунктов РСДБ содержит приемный радиотелескоп 12 с эталоном времени и частоты. При этом ПНП 9 дополнительно оснащены однобазовым многоканальным коррелятором. Радиотелескопы 12 пунктов РСДБ образуют глобальную фазированную антенную решётку радиоинтерферометра с суммарной площадью, равной сумме эффективных площадей входящих в нее радиотелескопов.

Антенны радиотелескопов 12 радиоприемных пунктов РСДБ выполнены в виде полноповоротной рефлекторной параболической антенны. При этом радиотелескоп 12 фундаментального опорного пункта 3 РСДБ включает антенну большого диаметра в диапазоне от 32 до 70 м. Радиотелескопы 12 прикладных наземных пунктов 9 РСДБ оснащены либо антеннами большого диаметра в диапазоне от 12 до 32 м, либо антеннами малого диаметра в диапазоне от 1 до 3 м. При этом радиотелескопы ПНП 9 с антеннами малого диаметра могут быть транспортируемыми либо мобильными. Приемные пункты потребителя 11 включают радиотелескоп 12 с антенной малого диаметра в диапазоне от 1 до 3 м.

Центр сбора и обработки данных 13 включает управляющий компьютер с центральным коррелятором, который осуществляет прием исходного цифрового потока сигналов с пунктов ФОП 3 РСДБ, представляющего линейную сумму сигналов от всех ФОП 3, коррекцию исходного цифрового потока для определения поправок шкал времени и частоты. Управляющий компьютер обеспечивает управление и синхронизацию работы радиотелескопов 12 пунктов РСДБ, сбор, обработку и анализ данных, получаемых радиотелескопами 12 пунктов РСДБ, и формирование опорной системы отсчета РСДБ.

Узловые магистральные центры коммутации и синхронизации (УМЦКС) 10 совмещены с прикладными наземными пунктами (ПНП) 11. УМЦКС 10 оснащены интерфейсом приёма данных с пунктов РСДБ, от центра сбора и обработки данных 13 и интерфейсом передачи сигналов синхронизации времени и частоты потребителю.

УМЦКС 10 в преимущественном варианте осуществления совмещены с точками установки вышек операторов мобильной связи, разнесенных друг относительно друга с интервалом 500 км и более. При этом УМЦКС 10 интегрированы в глобальную систему синхронизации времени и частоты через интерфейс подключения к радиотелескопам ПНП 9.

Приемные пункты потребителей 11 включают радиотелескоп 12 с антенной малого диаметра, равного или меньшего диаметру антенн радиотелескопов ПНП 9, а также однобазовый многоканальный коррелятор, выполняющий корреляционные измерения для компаунд-интерферометра, база которого образована парами, составленными из приемного пункта потребителя 11 и ПНП 9. При этом координаты и поправки шкал времени и частоты приемного пункта потребителя 11 определяются относительно опорной системы отсчета РСДБ автономно в реальном времени в режиме самоопределения

Магистральные сети связи 5 включают оптические, волоконно-оптические и спутниковые каналы связи, соединяющие между собой ФОП 3, ПНП 9, центр сбора и обработки данных 13, УМЦКС 10 и приемные пункты потребителей 11. Кроме того, магистральные сети связи обеспечивают интеграцию ГССВЧ с фазовыми и импульсно-фазовыми радионавигационными системами (ИФРС) 7, системами радиолокации и радиоуправления, сетями мобильной связи (СМС) 8, локальными системами частотно-временной синхронизации и космическими навигационными системами 6.

Дополнительно ГССВЧ может быть интегрирована посредством магистральных сетей связи 5 с системами наземного метрологического обеспечения глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и геостационарными спутниками-ретрансляторами магистральной связи.

Магистральные сети связи 5 выполнены с возможностью передачи данных со скоростью более 10 Гбит/с в каждом частотном канале, и с агрегированной скоростью 10 Тбит/с и более.

В заявленной глобальной системе синхронизации времени и частоты реализованы непрерывные радиоинтерферометрические измерения текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов от внегалактических источников излучения 14 с известными координатами. В качестве внегалактических источников в заявленной системе используют излучение квазаров 14. В качестве дополнительного варианта ГССВЧ может выполнять непрерывные измерения текущих значений сигналов от искусственных источников радиосигналов: космических аппаратов (КА) 15, искусственных спутников Земли (ИСЗ) 16 и других источников радиосигналов воздушно-космического базирования.

Результаты измерений проходят обработку, при которой получают последовательность дискретных текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов. На основании результатов обработки радиоинтерферометрических измерений определяют параметры баз глобального радиоинтерферометра, разности часов и ошибок синхронизации значений сигналов времени и опорной частоты между радиотелескопами 12 пунктов РСДБ. Ошибки синхронизации времени и частоты передают на каждый из пунктов РСДБ в виде поправок значений опорной частоты и значений сигнала времени. Далее происходит формирование суммарного сигнала ошибок синхронизации времени и частоты от всех радиотелескопов 12 пунктов РСДБ, и его передача параллельно по магистральным сетям связи 5, осуществление непрерывной синхронизации единиц времени и частоты ФОП 3 по отношению к эталонам времени и частоты пунктов РСДБ и интегрированным системам.

При этом ГССВЧ обеспечивает возможность работы в режиме компаунд-интерферометра посредством подключения потребителей к опорной системе отсчета РСДБ с помощью передачи высокоточных сигналов синхронизации времени и частоты от ФОП 3 и ближайшего к потребителю ПНП 9 по магистральным сетям связи 5 для синхронизации времени и частоты и определения пространственно-временного положения потребителя относительно опорной системы отсчета РСДБ.

Корреляторы центра сбора и обработки данных 13 и ПНП 9 выполнены с возможностью формирования каркаса главного зеркала глобальной фазированной решётки глобального радиоинтерферометра, образованного радиотелескопами 12 пунктов РСДБ. Корреляторы центра сбора и обработки данных 13 и ПНП 9 могут быть выполнены в виде одного из: коррелятора процессорных вычислений на микросхемах, сверхбольших интегральных схемах (СБИС) или программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), программно-аппаратного коррелятора, суперкомпьютера, программируемого сервера с графическими ускорителями, сетевого коррелятора на GRID-решениях.

Эталон времени и частоты радиоприемного пункта РСДБ включает сервер протокола точного времени (PTP-сервер), формирователь шкалы времени, цезиевый стандарт частоты и времени, водородный стандарт частоты и времени, частотный компаратор и временной компаратор.

Центральный коррелятор центра сбора и обработки данных 13 и корреляторы ПНП 9, в качестве каждого из которых может быть использован синхронизатор, являются многофункциональными устройствами для корреляционной и спектральной обработки сигналов в режиме реального времени. Обработка результатов измерений может проводиться несколькими способами.

Первый способ работы коррелятора-синхронизатора, обрабатывающего сигналы в режиме реального времени, заключается в том, что измеряются значения кросскорреляционных откликов одновременно для множества временных задержек и частот радиоинтерферометра в заданном диапазоне ожидаемых ошибок измерений цифровых потоков сигналов пунктов РСДБ. Измеряются разности множества истинных и предвычисленных значений корреляционных откликов радиоинтерферометра. По сигналам фазовой калибровки измеряют разности инструментальных и фазовых задержек между каналами системы параллельно-частотного синтеза, измеренные значения разностей истинных и предвычисленных значений корреляционных откликов радиоинтерферометра суммируют с сигналами фазовой калибровки для каждого частотного канала в системе синтеза широкополосного сигнала. Полученные суммарные сигналы вводят в режиме реального времени в виде дополнительных поправок в исходный предварительно задержанный по времени цифровой поток сигналов пунктов РСДБ, характеризующий поправки к предвычисленным значениям задержек и частот интерференции, осуществляя тем самым коррекцию исходного цифрового потока сигналов пунктов РСДБ.

Аналогичную коррекцию выполняют параллельно для всех независимых баз радиоинтерферометра. Суммируют скорректированные цифровые потоки сигналов пунктов РСДБ на исходной тактовой частоте, одинаковой для всех цифровых потоков сигналов. Осуществляют двухбитовое квантование результатов суммирования. Формируют цифровой поток сигналов пунктов РСДБ, представляющий линейную сумму сигналов всех пунктов и являющийся сигналом фазированной антенной решетки, и передают его по магистральным сетям связи параллельно для всех пунктов РСДБ с антеннами малого диаметра.

Второй способ отличается от первого тем, что в качестве корреляционного отклика радиоинтерферометра выбирают амплитуду максимума корреляционной функции или фазовую или групповую геометрическую задержку на интервале единичного наблюдения.

В третьем способе геометрические задержки распространения измеряют относительно плоскости, перпендикулярной направлению на источник излучения и проходящей через пункт РСДБ при астрофизических исследованиях.

В четвёртом способе задержку по времени цифрового потока сигналов пункта РСДБ устанавливают равной половине интервала единичного наблюдения.

При осуществлении пятого способа работы коррелятора-синхронизатора значения кросскорреляционных откликов исследуемых объектов, находящихся в дальней зоне от пунктов РСДБ, измеряют в дифференциальном режиме в виде разности угловых координат объектов и координат опорных внегалактических связей.

Шестой способ заключается в том, что значения кросскорреляционных откликов исследуемых объектов, находящихся в ближней зоне от пункта РСДБ, измеряют в виде трехмерных координат и их производных с помощью пункта РСДБ, откалиброванного по внегалактическим источникам, находящимся на близких угловых расстояниях.

Центральный коррелятор-синхронизатор центра сбора и обработки данных в преимущественном варианте осуществления включает селектор исходных цифровых потоков сигналов минимум с двух пунктов ФОП РСДБ, содержащих контроллеры, выходы которых подключены к входу центрального коррелятора, содержащего буферное запоминающее устройство, шину данных и контроллер базового модуля. Выходы центрального коррелятора соединены с входом управляющего компьютера центра сбора и обработки данных. В результате интеграции технических средств, входящих в состав центра сбора и обработки данных и ФОП РСДБ обеспечивается функционирование единой системы сбора и передачи данных в режиме реального времени интегрированных цифровых потоков.

Заявленная глобальная система синхронизации времени и частоты работает следующим образом.

Глобальный радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ), включающий разнесенные радиоприемные фундаментальные опорные пункты (ФОП) и радиоприемные прикладные наземные пункты (ПНП), осуществляет непрерывные радиоинтерферометрические измерения текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов от внегалактических источников излучения с известными координатами.

Центральный коррелятор центра сбора и обработки данных осуществляет прием исходного цифрового потока сигналов с пунктов ФОП РСДБ, представляющего линейную сумму сигналов от всех ФОП, обработку результатов измерений, при которой получают последовательность дискретных текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов, коррекцию исходного цифрового потока для определения поправок шкал времени и частоты.

Управляющий компьютер центра сбора и обработки данных обеспечивает определение параметров баз глобального радиоинтерферометра, разности часов и ошибок синхронизации значений сигналов времени и опорной частоты между радиотелескопами пунктов РСДБ на основании результатов обработки радиоинтерферометрических измерений. Кроме того, управляющий компьютер осуществляет управление и синхронизацию работы радиотелескопов пунктов РСДБ и формирование опорной системы отсчета РСДБ.

Далее происходит передача ошибок синхронизации времени и частоты на каждый из пунктов РСДБ в виде поправок значений опорной частоты и значений сигнала времени, и формирование суммарного сигнала ошибок синхронизации времени и частоты от всех радиотелескопов пунктов РСДБ, а затем передача суммарного сигнала параллельно по магистральным сетям связи.

Узловые магистральные центры коммутации и синхронизации (УМЦКС), оснащенные ПНП, осуществляют непрерывную синхронизацию единиц времени и частоты ФОП и ПНП по отношению к эталонам времени и частоты пунктов РСДБ и интегрированным системам.

Приемные пункты потребителей определяют координаты и поправки шкал времени и частоты относительно опорной системы отсчета РСДБ автономно в реальном времени в режиме самоопределения. При этом для синхронизации времени и частоты и определения пространственно-временного положения потребителей относительно опорной системы отсчета РСДБ приемные пункты потребителей могут работать в режиме компаунд-интерферометра, корреляционные измерения для которого осуществляются однобазовым многоканальным коррелятором. В режиме компаунд-интерферометра приемные пункты потребителей подключаются к опорной системе отсчета РСДБ с помощью приема высокоточных сигналов синхронизации времени и частоты от ФОП и ближайшего к потребителю ПНП по магистральным сетям связи.

Достижение технического результата изобретения решается методом обработки результатов радиоинтерферометрических измерений непосредственно в процессе наблюдений внегалактических источников - квазаров, - в виде текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов от внегалактических источников излучения с известными координатами. При этом суммарный цифровой поток сигналов, получаемых пунктами РСДБ, передаётся как сигнал не корреляционной, а фазированной антенной решетки, образованной пунктами РСДБ. Таким образом, обработка сигналов многоэлементных синтезированных антенных решеток позволяет проводить наблюдения на пунктах РСДБ для всех баз, образованных парами антенн радиотелескопов, в том числе с малыми антеннами.

Радиоинтерферометрические измерения производятся непосредственно в ходе наблюдений внегалактических источников в виде последовательности дискретных текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов, следующих через половину интервала единичного наблюдения, при этом интервал наблюдения оптимизируется по двум параметрам: допустимой статистической погрешности измерений основных наблюдаемых величин и собственного интервала флуктуации задержки распространения в среде инструментальных флуктуаций аппаратуры пунктов наблюдения.

Коррекция всех инструментальных погрешностей выполняется без дополнительных затрат времени в результате процедур, выполняемых параллельно с измерением кросскорреляционных функций, корректирующие поправки основных наблюдаемых величин в виде разностей между истинными и предвычесленными модельными значениями используются на пунктах РСДБ в цепях обратной связи для реализации следящей системы по минимизации погрешностей измерений, при этом ошибки синхронизации времени и частоты передаются на каждый пункт РСДБ в виде поправок к значениям опорной частоты и сигнала времени, эти погрешности одновременно используются для формирования суммарного сигнала глобального радиоинтерферометра.

Для формирования глобальной наземно-космической когерентной (синхронной) магистральной системы связи, ГССВЧ предусматривает возможность интегрирования с системами наземного метрологического обеспечения глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и геостационарными спутниками-ретрансляторами магистральной связи.

В настоящее время точность хранения времени на несколько порядков превышает точность его распространения. Так, российский водородный стандарт частоты 41-75 имеет суточную нестабильность около 5-10^-15, т.е. суточные вариации его временной шкалы не превышают 0.5 нс, что находится на уровне лучших мировых образцов. А передача моментов времени на большие расстояния производится с точностью около 100 нс. Именно по этой причине затруднено решение задач современного уровня связи.

Создание системы единого времени в ГССВЧ решает задачу не только хранить его в разных пунктах территории России со стабильностью порядка 0.1 нс/сутки, но и воспроизводить, передавать и сличать шкалы времени с такой же точностью на глобальных расстояниях.

Для создания ГССВЧ на глобальных расстояниях и обеспечения высокой стабильности синхронизации в интересах всех пользователей в заявленном изобретении предлагается:

- создать на территории России и в странах ближнего зарубежья фундаментальные опорные пункты (ФОП),

- определить геоцентрические координаты всех ФОП относительно пунктов РСДБ, как базовых;

- осуществлять непрерывную синхронизацию часов ФОП по отношению к хранителям времени РСДБ и Государственным эталонам времени и частоты, разнесённым по территории России;

- подключить с помощью оптоволоконных и спутниковых каналов транспортные системы связи основных операторов и потребителей мобильной связи к сети ФОП.

Вышеуказанные практические задачи могут быть решены с помощью существующих средств РСДБ: например, системы СИРИУС для РСДБ-наблюдений ГНСС; системы ДУПЛЕКС для синхронизации часов по отечественным каналам спутниковой связи.

Испытания этих систем показали, что они могут действовать как независимо, так и совместно в составе передвижных пунктов и способны давать результаты с точностью 1^-10 см/сутки для разностей координат и 1.0 нс/мин для разностей показаний часов.

Кроме того, ГССВЧ может быть интегрирована с российской системой фундаментальной астрономо-геодезической сети (ФАГС).

РСДБ обеспечит по существующему опыту эксплуатации ГССВЧ стабильным базисом высшей точности со следующими параметрами:

- параметры трехмерных координат точек земной поверхности и глобальных расстояний, включая расстояния между континентами - миллиметры и субмиллиметры;

- движение точек земной коры, в том числе глобальных тектонических движений - миллиметры в год;

- параметры ориентации Земли (координат полюса, всемирного времени, длительности суток, прецессии и нутации) - миллиметры и десятки микросекунд;

- синхронизацию атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния - десятки пикосекунд;

- координаты радиоисточников и космических аппаратов микросекунды дуги и при построении их радиоизображений - десятые доли миллисекунды дуги;

- определение параметров фундаментальных астрономических постоянных Солнечной системы - микросекунды дуги.

ГССВЧ представляет собой взаимоувязанную, иерархическую инфраструктуру средств, которые создают условия высокоточной синхронизации времени и частоты на глобальных расстояниях и возможность высокоточных оперативных пространственно-временных измерений для определения местоположения и движения объектов научного, хозяйственного и военного назначения на поверхности Земли, в воздушном и космическом пространстве независимо от состояния спутниковых и иных существующих систем.

При этом проведенные в России и за рубежом эксперименты подтверждают тот факт, что переносные малые антенны можно использовать в радиотелескопах пунктов РСДБ на глобальных расстояниях в прикладных задачах в любой точке пространства при определении точного времени.

На приведенной схеме (фиг. 1) показано взаимодействие систем, обеспечивающих решение задач ГССВЧ, и введены следующие обозначения: ВОСК - внегалактическая опорная система координат; ФАГС - фундаментальная астрономо-геодезическая сеть; РСДБ - радиоинтерферометр со сверхдлинными базами; ГСЧВС - государственная система частотно-временной синхронизации; СИЦО - система интегрального цифрового обслуживания; КНС - космическая навигационная система; СЛНС - система лазерных наблюдений спутников; ДСН - доплеровская система наблюдений; РСДБ - малые антенны пользователей; УМЦКС - узловые магистральные центры коммутации и синхронизации.

Высокоточный базис ГССВЧ распространяется пользователям на прикладной уровень путем функционального включения пунктов РСДБ в том числе с малыми антеннами радиотелескопов в совместные измерения по внегалактическим источникам для синхронизации времени и частоты, определения геодезических координат дополнительных пунктов относительно опорной системы отсчета РСДБ. Обмен данными осуществляется по высокоскоростным каналам магистральной системы связи.

Шкалы времени и частоты искусственных спутников Земли (ИСЗ) и космических аппаратов (КА) различного назначения при необходимости сличаются относительно опорной системы отсчёта РСДБ ГССВЧ в абсолютном или дифференциальном режиме наблюдений на пунктах РСДБ, измеряются параметры орбит ИСЗ и КА.

Суммарный цифровой сигнала ошибок синхронизации времени и частоты от всех радиотелескопов пунктов РСДБ обеспечивает пользователей возможностью работы в режиме компаунд-интерферометра для синхронизации времени и частоты, и самоопределения своего пространственно-временного положения относительно опорной системы отсчета РСДБ.

Любой приемный пункт потребителя может образовывать двухэлементный компаунд-интерферометр с ближайшим пунктом РСДБ и с синхронизованной опорной системой отсчета РСДБ, работающей в режиме фазированной решетки глобальных размеров с суммарной эффективной площадью, равной сумме эффективных площадей всех входящих в нее радиотелескопов.

Все конечные государственные, частные и индивидуальные потребители через различные системы связи могут обеспечиваться синхронизацией высокоточных оперативных сигналов времени и частоты для высокоточных определений пространственно-временных положений и динамики объектов научного, хозяйственного и военного назначения на поверхности Земли, в воздушном и космическом пространстве, на море и под водой.

На фиг. 2 показано взаимодействие различных элементов ГССВЧ, где размещенные на определенной территории, т.е. на сверхдлинной базе, радиотелескопы осуществляют наблюдение внегалактических источников - квазаров. При этом входящие в систему радиотелескопы связаны с центральным коррелятором, обеспечивающим коррекцию погрешностей наблюдения, и имеют возможность передачи данных по различным каналам магистральных сетей связи, как наземным, так и с использованием спутников связи.

РСДБ постоянно воспроизводит и распространяет опорный пространственно-временной базис с определенной периодичностью, например 10 минут, на основе непрерывных, последовательных наблюдений внегалактических источников внегалактической опорной системы координат (ВОСК), каталог которых на сегодняшний момент включает более 4000 источников, в режиме реального времени.

Основные параметры надёжности ГССВЧ обеспечиваются:

- непрерывностью излучения радиосигналов внегалактическими источниками, большим количеством рабочих и резервных приемных радиотелескопов и корреляторов-синхронизаторов РСДБ и системой хранения групповой шкалы атомного времени ГССВЧ.

- высшей точностью пространственно-временных определений, базирующейся на многолетних рядах радиоастрономических измерений взаимных угловых положений естественных внегалактических радиоисточников, не имеющих относительных собственных движений, инструментами на пунктах РСДБ, обладающими максимально достижимой пространственно-временной разрешающей способностью;

- доступностью, гарантированной видимостью внегалактических радиоисточников с поверхности Земли в радиодиапазоне в любое время суток и при любых погодных условиях, широким спектром их излучения;

- контролем целостности РСДБ, являющегося многопунктовым, в высшей степени инерционным, имеющим длительный срок эксплуатации до 50 лет и более, при этом контроль целостности обеспечивается за счет непрерывного высокоточного самоконтроля инструментальных параметров в процессе управления измерениями в режиме реального времени и анализа прогнозирования будущего состояния параметров РСДБ;

Заявляемая ГССВЧ имеет следующие преимущества при сравнении с аналогами и прототипами:

- ГССВЧ не нуждается в знании навигационных и временных параметров других систем, является самокалибрующейся системой; но используя опорную систему отсчета РСДБ, ГССВЧ повышает в разы качество и точность решения штатных задач фазовых и импульсно-фазовых интегрируемых с ГССВЧ радионавигационных систем, систем радиолокации и радиоуправления, сетей мобильной связи для позиционирования абонентов, систем частотно-временной синхронизации и локализации, геоинфокоммуникационных сетей и космических систем различного назначения;

- в ГССВЧ сличение шкал времени и частоты космических объектов относительно опорной системы отсчета РСДБ может производиться в беззапросном, бескодовом режиме, а пространственно-временной базис может формироваться путём измерения текущих координат и параметров орбит;

- ГССВЧ распространяет свой пространственно-временной базис в едином цикле измерений с помощью мобильных малогабаритных инфокоммуникационных систем и не нуждается в дополнительных системах сличения шкал времени и частоты, как это необходимо для систем космического базирования;

- в ГССВЧ для решения прикладных задач пользователи подключают к ближайшим пунктам РСДБ антенны радиотелескопов меньшего диаметра, как стационарные, так и подвижные, оснащенные средствами для интеграции при проведении совместных измерений в реальном времени в ходе текущих измерений.

На фиг. 3 приведена схема дифференциальных разностно-дальномерных измерений РСДБ.

Интегрированные с ГССВЧ системы телекоммуникаций и всех видов связи синхронизируются по времени и частоте на основе опорной системы отсчета РСДБ с воспроизведением точности, определяемой ГССВЧ.

Распространение стабильного уровня синхронизации времени и частоты в ГССВЧ обеспечивает:

глобальную синхронизацию магистральных узлов коммутации и управления существующих магистральных систем связи с наивысшей точностью, тем самым повышая пропускную способность магистральных систем связи;

экономию средств на создание ведомственных и иных дублирующих систем синхронизации магистральных сетей связи;

непрерывное повышение точности синхронизации по мере развития пространственно-временного базиса;

независимость и безопасность эксплуатации, основанную на использовании национальной ГССВЧ в сочетании с возможностью международной интеграции систем связи с другими государствами;

сохранение возможностей интегрального цифрового обслуживания по передаче данных, созданию частных каналов связи, использования телекоммуникационных услуг, в частности, Frame Relay, ATM, ISDN, Managed Service, Remote LAN Dial и других.

Синхронные оптоволоконные магистральные системы спектрального уплотнения DWDM со скоростями передачи данных выше 10 Гбит/с в каждом частотном канале и агрегированной скоростью выше 10 Тбит/с являются чувствительными к точности частот настройки лазеров, нарушению когерентности преобразований сигналов в каскадированных мультиплексорах, демультиплексорах и фильтрах. Повышение когерентности таких систем в целом является актуальной задачей, поскольку позволяет эффективно снижать число регенераторов и усилителей оптического сигнала, снижать мощность и ее запас в оптических генераторах и улучшать эксплуатационные характеристики элементов оптических каналов передачи (точка-точка) и сетей связи в целом. Актуальность задачи повышается с учетом внедрения оптических систем связи, системы с временным оптическим разделением каналов (OTDM), которые требуют самой высокоточной синхронизации времени и частоты.

Что касается теоретических принципов, на которых основано заявляемое изобретение, то следует учесть, что ГССВЧ базируется на технологии РСДБ. В соответствии с теорией электродинамики и распространения электромагнитных волн, ширина диаграммы направленности радиотелескопа пропорциональна длине волны излучения и обратно пропорциональна максимальному размеру апертуры. Следовательно, глобальный радиоинтерферометр с линейным размером апертуры глобальной фазированной антенной решётки, равным среднему диаметру Земли - 12,742 тысяч километров, в радиодиапазоне может формировать диаграмму направленности с шириной от 0,5 секунды дуги на длине волны 30 метров до 0,05 миллисекунды дуги на длине волны 3 миллиметра. Такой радиотелескоп будет обладать соответствующим пространственным угловым разрешением по критерию Рэлея той же величины.

В соответствии с классификацией антенн радиодиапазона, объединённые пункты РСДБ представляют корреляционную фазированную антенную решётку с апертурой, синтезируемой в процессе вращения Земли, при синхронной работе пунктов РСДБ. Основным наблюдательным инструментом на пункте РСДБ является полноповоротная рефлекторная параболическая антенна. В корреляционной антенной решетке глобального радиоинтерферометра с апертурой, синтезируемой в процессе вращения Земли, обязательным элементом является центральный коррелятор, который выполняет следующие основные функции, замещающие эквивалентные функции одиночного радиотелескопа:

- формирует каркас главного зеркала глобальной фазированной антенной решётки глобального радиоинтерферометра, образованного радиотелескопами пунктов РСДБ;

- обеспечивает пространственное сопровождение источника радиоизлучений;

- измеряет дисперсию входного сигнала глобального радиоинтерферометра.

Упрощение модели глобального радиоинтерферометра касается двух отличий:

- апертура главного зеркала заполнена частично;

- "панели" динамически перемещаются по формообразующей поверхности главного зеркала в результате вращения Земли и изменения положения их проекций, а также проекций линий баз на плоскость, перпендикулярную направлению на источник радиоизлучений.

Обобщенный подход основан на представлении радиоастрономической технологии измерений в РСДБ пространственной когерентности полей в качестве частного решения общей задачи извлечения информации о свойствах, положении и движении различных объектов в пространстве, осматриваемом с помощью электромагнитных волн различных диапазонов. Эти волны излучаются объектами в следующих возможных условиях:

- самопроизвольно, когда мы принимаем излучения естественных источников таких как, квазары, космические мазеры, радиозвезды, пульсары и другие источники, реализуя пассивный метод радиолокации;

- специальными излучателями, к которым относятся космические аппараты дальнего космоса, навигационные ИСЗ, спутники дистанционного космического зондирования и другие, реализуя беззапросный метод радиолокации;

- излучения, которые образуются в результате отражения от объектов зондирующих колебаний, излучаемых самой радиолокационной станцией, реализуя активный метод радиолокации. Так, например, функционирует бистатический радиолокатор в приемо-передающем режиме зондирования естественных объектов: планет, спутников планет, астероидов, комет, метеороидов, и летательных аппаратов;

- излучения, которые образуются в результате отражения зондирующих сигналов со стороны, известный как моно-статический радиолокатор с разделением функций передачи и приема между разными станциями, или радиолокационный интерферометр, реализующий полуактивный метод радиолокации;

- излучения, которые переизлучаются установленным на объекте ответчиком с приходом запросных сигналов от станции, реализуя метод радиолокации с активным ответом. Примером может служить использование космических аппаратов и ИСЗ.

Основополагающий принцип относительных измерений координат и их производных состоит в том, что аналогом дальности является время запаздывания τ_g=R/c сигнала между приемником и передатчиком, аналогом радиальной скорости V_R - доплеровский сдвиг частот f_d принимаемого сигнала, аналогом направляющего косинуса - разность времен запаздывания Δτ_g=(R1-R2)/c и аналогом производной направляющих косинусов - разность доплеровских частот сигналов Δf_d, принимаемых в разнесенных точках приема. Другие принципы измерения относительных координат объектов и их производных в измерительных радиосистемах не используются.

Относительные координаты объектов и их производные определяются в точке пересечения поверхностей положения в многомерной измерительной системе.

РСДБ по принципу измерения является разностно-дальномерным, поскольку основными измеряемыми параметрами являются геометрические задержки распространения и их производные, однозначно связанные с разностью хода лучей от источника радиоизлучений до приемных антенн, то есть с разностью дальностей.

Наблюдения пунктами РСДБ внегалактических источников с известными координатами позволяют измерить параметры баз между пунктами РСДБ, их ориентацию относительно опорной небесной системы координат и измерить разность часов пунктов РСДБ. Таким образом, выполняется комплексная калибровка параметров РСДБ.

Разности дальностей или геометрические задержки распространения измеряются относительно плоскости, перпендикулярной к направлению на источник, и проходящей через пункт РСДБ.

Положение исследуемых объектов, находящихся в дальней зоне относительно пунктов РСДБ, измеряется в дифференциальном режиме в виде разности угловых координат объектов относительно координат опорных внегалактических радиоисточников.

Положение объектов, находящихся в ближней зоне относительно пунктов РСДБ, измеряется также в дифференциальном режиме, но гиперболическим методом в виде трехмерных координат и их производных с помощью РСДБ, откалиброванного по внегалактическим радиоисточникам, находящимся на близких угловых расстояниях. Разности дальностей или геометрические задержки распространения в этом случае измеряются относительно сферической поверхности, проходящей через пункт РСДБ, центр которой совпадает с координатами исследуемого объекта.

При дифференциальных наблюдениях на пунктах РСДБ объектов на фоне внегалактических источников знания параметров вращения Земли (ПВЗ) не требуется. Влияние атмосферы и ионосферы на измерение положений объектов на фоне внегалактических источников в этом случае минимизируется, поскольку они вносят одинаковый вклад в положения объектов.

При наблюдениях на пунктах РСДБ объектов в абсолютном режиме необходимо учитывать параметры вращения Земли и параметры атмосферы и ионосферы.

Таким образом, для объектов, находящихся в дальней зоне, РСДБ является чисто угломерным, то есть фронт волны излучения источника является плоским и разность дальностей связана соответствующими углами между каждой из баз между пунктами РСДБ и направлением на источник радиоизлучений. Для объектов в ближней зоне фронт волны имеет сферическую форму, и РСДБ уже не является чисто угломерным. Для ближней зоны разности дальностей для каждой базы между пунктами РСДБ связываются с линиями положения источника, которые для разностно-дальномерной системы являются гиперболами для измерений в плоскости.

Для трехмерного пространства линиями положения источника - геометрическим местом точек вероятного местонахождения объекта, - являются гиперболические поверхности (гиперболоид), образованные путем вращения гипербол вокруг каждой из базовых линий. Для ближней зоны положение источника может быть определено с помощью двухэлементного РСДБ путем последовательных измерений при различных позиционных углах, то есть в результате последовательного синтеза трехмерного РСДБ. Направление на источник может быть измерено в результате единичного измерения при использовании трехэлементного РСДБ. Мгновенные (текущие) трехмерные координаты источника в ближней зоне, связаны с трехмерными координатами пунктов РСДБ, если РСДБ состоит не менее чем из четырех антенн. Полный вектор состояния объекта получается в результате серии измерений разности дальностей.

Погрешности измерений положений объектов для разностно-дальномерного РСДБ зависят от погрешностей координат пунктов РСДБ, параметров баз, синхронизации эталонов времени и частоты, влияния атмосферы и ионосферы и инструментальных эффектов. Совместные наблюдения внегалактических источников с известными координатами и объектов в ближней зоне позволяют калибровать положение всех баз между пунктами РСДБ относительно избранного внегалактического радиоисточника или группы источников из каталога внегалактической опорной системы координат, синхронизовать эталоны пунктов и устранить эффекты распространения и инструментальные эффекты. Погрешности измерений будут зависеть от точности калибровки и времени ее действия, которое зависит от углового расстояния между опорным квазаром и исследуемым объектом, от точности модели вращения Земли и ее прогноза на интервал времени между смежными калибровочными процедурами наблюдений опорных объектов. Погрешности калибровки являются минимальными, если наблюдения проводятся в совмещенной измерительной системе, позволяющей параллельно вести измерения опорных квазаров и исследуемых объектов.

Возможны два способа использования опорных объектов для калибровки положения баз РСДБ:

- с помощью оперативного прогноза параметров ориентации Земли (ЕОР) относительно внегалактической опорной системы координат на момент наблюдений и привязки координат пунктов РСДБ к опорной земной системе координат;

- с помощью дифференциальных наблюдений исследуемых объектов относительно квазаров, находящихся на близких угловых расстояниях.

При использовании прогноза ЕОР погрешности калибровки положения баз РСДБ полностью определяются погрешностями действующего прогноза, который зависит от времени, прошедшего от начала последних измерений ЕОР и от данных небесной опорной системы координат. В соответствии с этими данными суточный прогноз приводит к минимально достижимому значению случайной ошибки параметров баз РСДБ и их ориентации около 5 см для пунктов РСДБ вблизи экватора Земли. Через месяц эта ошибка возрастает до полуметра. Кроме ошибки, связанной с прогнозом ЕОР, при данном методе необходимо специальными измерениями учитывать все погрешности распространения и инструментальные погрешности, отдельно синхронизовать эталоны пунктов РСДБ, таким образом, данный вид измерений может быть отнесен к методу абсолютных измерений.

При дифференциальном методе измерений погрешности определяются точностью наблюдений опорного объекта, то есть с точностью 0,00001 угловой секунды дуги и 1 см по разности дальностей, и метод может быть отнесен к методу относительных измерений.

Для всех остальных известных схем пространственно-временных измерений технология РСДБ позволяет с максимальной точностью измерять координаты приемно-передающих пунктов, калибровать параметры баз в разнесенных угломерных, дальномерных, суммарно-дальномерных и угломерно-дальномерных системах.

Пункты РСДБ ГССВЧ, дополненные активными передающими средствами, могут синтезировать любую измерительную схему и реализовать любой метод пространственно-временных измерений относительных координат и составляющих векторов скорости для объектов в ближней и дальней зоне в сочетании с фундаментальной возможностью выполнения угломерных измерений по опорным внегалактическим источникам для калибровки параметров баз и синхронизации шкал времени.

Другое преимущество связано с возможностью проводить измерения относительно инерциальной небесной опорной системы координат или земной фундаментальной опорной геодезической системы. При этом выходное измерительное устройство - центральный коррелятор, должен совмещать в себе возможности оптимального фильтра и измерителя взаимной корреляционной функции 5 сигналов, имеющих динамически изменяющееся одновременное смещение по времени и частоте.

Текущие координаты, параметры орбиты и поправки времени и частоты любых объектов в воздушном и космическом пространстве определяются по радиолокационным эхо-сигналам в дифференциальном режиме в моностатическом, бистатическом режиме или разностно-дальномерным (гиперболическим) методом с помощью координат х, у, z и шкалы времени и частоты пунктов РСДБ, измеренных по результатам наблюдений внегалактических источников. Положение объекта определяется триангуляционным методом по измеренной дальности между объектом и радиолокатором и измеренными разностями дальности между объектом и остальными пунктами РСДБ или чисто гиперболическим методом в точке пересечения гиперболических поверхностей (гиперболоидов), образованных относительно баз между пунктами РСДБ b₁, b₂, b₃, b₄ (фиг. 4).

ГССВЧ является многоуровневой иерархической сетевой структурой, которая может создавать и распространять следующие параметры:

- наземная геодезическая составляющая распространяется на геодезические сети пользователей через существующие технологии, интегрируемые с ГССВЧ: ФАГС, ГЛОНАСС, дифференциальные радионавигационные подсистемы, магистральные инфокоммуникационные сети и мобильную связь;

- космическая и воздушная составляющие распространяются с использованием дифференциальных измерительных радиосистем: угломерных, дальномерных, угломерно-дальномерных, разностно-дальномерных и суммарно-дальномерных, а также с помощью их комбинаций в дифференциальных режимах;

- оперативные измерения проводятся с использованием данных прогноза параметров вращения Земли по прогнозу положения геодезических координат относительно ФАГС и координат воздушных и космических объектов на фоне внегалактической опорной системы координат;

- непрерывные дифференциальные пространственно-временные измерения высшей точности проводятся с помощью совмещенных радиосистем и пунктов РСДБ с применением калибровки по радиоисточникам из каталога внегалактической опорной системы координат, находящихся на близких угловых расстояниях;

- распространение опорной системы отсчета РСДБ на системы пользователей осуществляется путем передачи высокоточных сигналов по магистральным сетям связи: наземным каналам связи, через системы радионавигации, через системы спутниковой связи и цифрового телевизионного вещания, через сети IP-телефонии, сеть Интернет с помощью протокола NTP с точностью до 1мс и «нано ядро» с точностью до 1нс, системы мобильной связи.

Услуги ГССВЧ пользователям могут быть предоставлены через самоопределение по навигационным сигналам и высокоточной синхронизации времени и частоты и в режиме внешнего определения и передачи параметров потребителю.

Для подтверждения возможности осуществления заявленного изобретения было проведено компьютерное моделирование архитектуры ГССВЧ с использованием данных о существующих в настоящий момент инструментальных, аппаратурных и организационных возможностях.

В состав ГССВЧ были включены:

- фундаментальные опорные пункты РСДБ, формирующие опорную систему отсчета РСДБ высшей точности (Stratum 0) в составе: семи пунктов ФОП РСДБ с 32-64 метровыми полноповоротными радиотелескопами, атомными хранителями эталонов времени и частоты Ч1-75, соединенными оптическими каналами передачи данных с центром сбора и обработки данных координатно-временных измерений в оперативном режиме;

- прикладные наземные пункты на основе использования технологии РСДБ первого уровня точности (Stratum 1) с радиотелескопами большого диаметра 12 м - 32 м, атомными хранителями эталонов времени и частоты Ч1-75, соединенные оптическими каналами передачи с центром сбора и обработки данных;

- прикладные наземные пункты РСДБ на основе использования технологии РСДБ второго уровня точности (Stratum 2) в составе транспортируемых пунктов РСДБ с полноповоротными антеннами диаметром 1 м, 2 м, или 3 м, водородными стандартами частоты Ч1-76, однобазовыми многоканальными корреляторами для автономной обработки измерений, и соединенными оптическими каналами передачи данных с пунктами РСДБ (Stratum 0) и с центром сбора и обработки данных координатно-временных измерений в контрольно-калибровочном режиме;

- прикладные наземные пункты РСДБ на основе технологии второго уровня точности (Stratum 2) с мобильными пунктами РСДБ с радиотелескопами малого диаметра 1 м, 2 м, или 3 м, оснащенными спутниковой связью и подключаемыми функционально к пунктам РСДБ Stratum 0 и Stratum 1;

- эталонная база времени и частоты ГСВЧ (функционально);

- высокоскоростная магистральная оптическая система каналов связи, объединяющая ФОП РСДБ и центр сбора и обработки данных;

- подсистема связи через геостационарные спутники на основе технологии VSAT, DirecPC и систем непосредственного телевизионного вещания;

- подсистема передачи пространственно-временной информации в виде системы мобильных и фиксированных инфокоммуникационных сетей доступа, необходимых для распространения опорного пространственно-временного базиса опорной системы отсчета РСДБ потребителям;

- подсистема контроля и управления ГССВЧ с базами данных ФАГС;

- приемные пункты потребителей.

Результаты моделирования по данным показали, что глобальный РСДБ (Stratum 0) позволяет определять с точностью:

- синхронизацию атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния - десятки пикосекунд;

- параметры ориентации Земли (координаты полюса, всемирного времени, длительности суток, прецессии и нутации) - миллиметры и десятки микросекунд;

- определение параметров фундаментальных астрономических постоянных Солнечной системы - микросекунды дуги;

- координаты радиоисточников и космических аппаратов и иных динамичных объектов в ближнем и дальнем космосе - микросекунды дуги и при построении их радиоизображений - десятые доли миллисекунды дуги;

- параметры трехмерных координат точек земной поверхности и глобальных расстояний, включая расстояния между континентами - миллиметры и субмиллиметры;

- движение точек земной коры, в том числе глобальные тектонические движения - миллиметры в год;

Прикладные наземные пункты РСДБ (Stratum 1) позволяют определять с точностью:

- синхронизацию атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния - сотни наносекунд;

- параметры ориентации Земли (координаты полюса, всемирного времени, длительности суток, прецессии и нутации) - миллиметры и десятки микросекунд;

- координаты радиоисточников и космических аппаратов - миллисекунды;

- параметры трехмерных координат точек земной поверхности и глобальных расстояний - миллиметры и единицы сантиметров;

- движение точек земной коры, в том числе глобальные тектонические движения - сантиметры в год.

Прикладные наземные пункты ГССВЧ с радиотелескопами малого диаметра (Stratum 2) позволяют определять с точностью:

- синхронизацию атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния - единицы наносекунд;

- координаты радиоисточников и космических аппаратов - несколько миллисекунды дуги;

- параметры трехмерных координат точек земной поверхности - десятки сантиметров, глобальных расстояний - миллисекунды дуги.

В существующем уровне техники не было выявлено сведений о наличии резервных систем, как альтернативы по точности, стабильности, надёжности и независимости, которые могли бы повторить или превысить параметры заявляемой глобальной системы синхронизации времени и частоты в технологии синхронизации атомных шкал времени, разнесенных на глобальные расстояния и пространственно-временных определений на глобальных расстояниях, в ближнем и дальнем космосе в реальном времени.

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к способам высокостабильной синхронизации времени и частоты на глобальных масштабах расстояний. Техническим результатом является создание глобальной системы синхронизации времени и частоты с применением технологии радиоинтерферометрических непрерывных измерений положений земной опорной системы координат в пространстве относительно положений внегалактических источников с обеспечением формирования, хранения и передачи эталонных частот потребителю с относительной погрешностью 10^-16 и менее и сигналов точного времени с погрешностью 0,1 нс и менее. Заявленная система содержит глобальный радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ), включающий разнесенные радиоприемные фундаментальные опорные пункты (ФОП) и радиоприемные прикладные наземные пункты (ПНП), центр сбора и обработки данных, узловые магистральные центры коммутации и синхронизации (УМЦКС), приемные пункты потребителей, соединенные магистральными сетями связи. Центр сбора и обработки данных включает управляющий компьютер с центральным коррелятором, принимающим линейную сумму сигналов от всех ФОП. Пункты ФОП и ПНП содержат радиотелескопы с эталоном времени и частоты, образующие глобальную фазированную антенную решётку с суммарной площадью, равной сумме эффективных площадей входящих в нее радиотелескопов. При этом каждый пункт ПНП дополнительно содержит однобазовый многоканальный коррелятор. Приемные пункты потребителей содержат радиотелескопы с антеннами малого диаметра и коррелятор, выполняющий корреляционные измерения для компаунд-интерферометра, база которого образована парами из приемного пункта потребителя и ближайшего к нему пункта ПНП. УМЦКС совмещены с ПНП и имеют интерфейсы приёма данных с пунктов РСДБ, от центра сбора и обработки данных и передачи сигналов синхронизации времени и частоты потребителю. 13 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Глобальная система синхронизации времени и частоты, содержащая:

- глобальный радиоинтерферометр со сверхдлинными базами (РСДБ), включающий разнесенные радиоприемные фундаментальные опорные пункты (ФОП) и радиоприемные прикладные наземные пункты (ПНП), причем каждый из пунктов ФОП РСДБ содержит радиотелескоп с эталоном времени и частоты, а каждый из пунктов ПНП РСДБ содержит радиотелескоп с эталоном времени и частоты и однобазовый многоканальный коррелятор, при этом радиотелескопы пунктов ФОП и ПНП РСДБ образуют глобальную фазированную антенную решётку с суммарной площадью, равной сумме эффективных площадей входящих в нее радиотелескопов,

- центр сбора и обработки данных, включающий управляющий компьютер с центральным коррелятором, который осуществляет прием исходного цифрового потока сигналов с пунктов ФОП РСДБ, представляющего линейную сумму сигналов от всех ФОП, коррекцию исходного цифрового потока для определения поправок шкал времени и частоты, а управляющий компьютер обеспечивает управление и синхронизацию работы радиотелескопов пунктов РСДБ, сбор, обработку и анализ данных, получаемых радиотелескопами пунктов РСДБ, и формирование опорной системы отсчета РСДБ,

- узловые магистральные центры коммутации и синхронизации (УМЦКС), оснащенные ПНП, интерфейсом приёма данных с пунктов РСДБ, от центра сбора и обработки данных и интерфейсом передачи сигналов синхронизации времени и частоты потребителю,

- приемные пункты потребителей, каждый из которых содержит радиотелескоп с антенной малого диаметра, равного или меньшего диаметру антенн радиотелескопов ПНП, однобазовый многоканальный коррелятор, выполняющий корреляционные измерения для компаунд-интерферометра, база которого образована парами из приемного пункта потребителя и пункта ПНП, при этом координаты и поправки шкал времени и частоты приемного пункта потребителя определяются относительно опорной системы отсчета РСДБ автономно в реальном времени в режиме самоопределения,

- магистральные сети связи, включающие и оптические, волоконно-оптические и спутниковые каналы связи, соединяющие между собой ФОП, ПНП, центр сбора и обработки данных, УМЦКС и приемные пункты потребителей, и обеспечивающие интеграцию глобальной системы синхронизации времени и частоты со следующими системами:

фазовыми и импульсно-фазовыми радионавигационными системами;

системами радиолокации и радиоуправления;

сетями мобильной связи;

локальными системами частотно-временной синхронизации;

космическими навигационными системами,

при этом глобальная система синхронизации времени и частоты выполнена с возможностью:

- осуществления непрерывных радиоинтерферометрических измерений текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов от внегалактических источников излучения с известными координатами;

- обработки результатов измерений, при которой получают последовательность дискретных текущих значений величин геометрической задержки распространения сигналов;

- определения параметров баз глобального радиоинтерферометра, разности часов и ошибок синхронизации значений сигналов времени и опорной частоты между радиотелескопами пунктов РСДБ на основании результатов обработки радиоинтерферометрических измерений;

- передачи ошибок синхронизации времени и частоты на каждый пунктов РСДБ в виде поправок значений опорной частоты и значений сигнала времени,

- формирования суммарного сигнала ошибок синхронизации времени и частоты от всех радиотелескопов пунктов РСДБ, и передачи суммарного сигнала параллельно по магистральным сетям связи;

- осуществления непрерывной синхронизации единиц времени и частоты ФОП по отношению к эталонам времени и частоты пунктов РСДБ и интегрированным системам;

- обеспечения возможности работы приемных пунктов потребителей в режиме компаунд-интерферометра посредством подключения потребителей к опорной системе отсчета РСДБ с помощью передачи высокоточных сигналов синхронизации времени и частоты от ФОП и ближайшего к потребителю ПНП по магистральным сетям связи для синхронизации времени и частоты и определения пространственно-временного положения потребителя относительно опорной системы отсчета РСДБ.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью непрерывных измерений текущих значений сигналов от внегалактических источников, представляющих собой один или несколько из квазаров.

3. Система по п. 1, отличающаяся тем, что дополнительно выполнена с возможностью непрерывных измерений текущих значений сигналов от искусственных источников радиосигналов воздушно-космического базирования.

4. Система по п. 1, отличающаяся тем, что УМЦКС совмещены с точками установки вышек операторов мобильной связи с интервалом 500 км и более и интегрированы в глобальную систему синхронизации времени и частоты через интерфейс подключения к радиотелескопам ПНП.

5. Система по п. 1, отличающаяся тем, что выполнена с возможностью интегрирования с системами наземного метрологического обеспечения глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) и геостационарными спутниками-ретрансляторами магистральной связи посредством магистральной сети связи.

6. Система по п. 1, отличающаяся тем, что антенны радиотелескопов радиоприемных пунктов РСДБ и приемных пунктов потребителей представляют собой полноповоротную рефлекторную параболическую антенну.

7. Система по п. 1, отличающаяся тем, что радиотелескоп фундаментального опорного пункта РСДБ включает антенну большого диаметра, равного 32-70 м.

8. Система по п. 1, отличающаяся тем, что радиотелескоп прикладного наземного пункта РСДБ включает антенну большого диаметра, равного 12-32 м.

9. Система по п. 1, отличающаяся тем, что прикладной наземный пункт РСДБ включает транспортируемый либо мобильный радиотелескоп с антенной малого диаметра, равного 1-3 м.

10. Система по п. 1, отличающаяся тем, что приемный пункт потребителя включает радиотелескоп с антенной малого диаметра, равного 1-3 м.

11. Система по п. 1, отличающаяся тем, что магистральные сети связи выполнены с возможностью передачи данных со скоростью более 10 Гбит/с в каждом частотном канале, и с агрегированной скоростью 10 Тбит/с и более.

12. Система по п. 1, отличающаяся тем, что корреляторы центра сбора и обработки данных и ПНП выполнены с возможностью формирования каркаса главного зеркала глобальной фазированной антенной решётки глобального радиоинтерферометра, образованного радиотелескопами пунктов РСДБ.

13. Система по п. 1, отличающаяся тем, что корреляторы центра сбора и обработки данных и ПНП выполнены в виде одного из:

- коррелятора процессорных вычислений на микросхемах, сверхбольших интегральных схемах (СБИС) или программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС);

- программно-аппаратного коррелятора;

- суперкомпьютера;

- программируемого сервера с графическими ускорителями;

- сетевого коррелятора на GRID-решениях.

14. Система по п. 1, отличающаяся тем, что эталон времени и частоты радиоприемного пункта РСДБ включает сервер протокола точного времени (PTP-сервер), формирователь шкалы времени, цезиевый стандарт частоты и времени, водородный стандарт частоты и времени, частотный компаратор, временной компаратор.