CC BY
50
Д. А. Рощин, канд. техн. наук, ФГУП «ВНИИФТРИ», пгт Менделеево, Солнечногорский р-н, Московская обл., whwhwh@mail.ru
Модернизация программно-математического обеспечения эталонного комплекса частоты и времени
Описывается модернизированный программно-математический эталонный комплекс времени и частоты. В процессе модернизации данного комплекса были проведены работы по совершенствованию методики формирования группового водородного хранителя частоты и расчету национальной шкалы времени. Для уменьшения погрешности определения среднего относительного изменения частоты водородного стандарта на месячном интервале измерений были применены весовые коэффициенты. С целью уменьшения нестабильности аналитической частоты группового водородного хранителя частоты использовался скользящий интервала оценки параметров модели частот водородных мазеров. В ходе эксплуатации программы в Государственном метрологическом центре «Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли» был сделан вывод, что применение весовых коэффициентов при определении параметров регрессионной модели изменения частоты опорного стандарта позволяет незначительно, в среднем на 1%, уменьшить среднемесячное изменение относительной погрешности на годовом интервале времени наблюдений. Было установлено, что применение скользящего интервала оценки параметров модели частот водородных мазеров на каждые сутки измерений позволяет значительно снизить нестабильность аналитической частоты группового эталона. С применением модернизированного комплекса времени и частоты относительное уменьшение СКДО составило в среднем 10% на трехмесячном интервале времени наблюдений.
Ключевые слова: групповой эталон частоты, нестабильность частоты, относительное изменение частоты, метод наименьших квадратов, весовые коэффициенты.
Введение
Данная работа проводилась с целью развития технических средств фундаментального обеспечения системы ГЛОНАСС в части модернизации комплексов хранения национальной шкалы времени Российской Федерации на основе водородных хранителей частоты для достижения тактико-технических характеристик системы ГЛОНАСС по согласованию национальной шкалы времени с Международной шкалой координированного времени.
Разрабатываемый эталонный комплекс времени и частоты (ЭКВЧ) должен войти в состав модернизируемых комплексов хра-
нения национальной шкалы времени и предназначен для обеспечения хранения шкал времени модернизируемых комплексов хранения национальной шкалы времени с целью достижения требуемых тактико-технических характеристик системы ГЛОНАСС по согласованию национальной шкалы времени с Международной шкалой координированного времени иТС на 2020 г. с погрешностью не более ± 3 нс [1].
Комплекс хранения национальной шкалы времени государственного первичного эталона единиц времени, частоты и национальной шкалы времени ГЭТ1 должен обеспечивать нестабильность, выраженную среднеквадра-тическим относительным двухвыборочным
отклонением (СКДО), частоты комплекса величиной не более (2-3) •Ю-16 при времени измерения 1-10 суток, в то время как сейчас это значение составляет 4,5-10- на том же интервале времени измерений [2].
ЭКВЧ должен включать в свой состав аппаратно-программные средства формирования шкалы времени, приближенной с заданной точностью к шкале времени, хранимой комплексом.
Для решения основных задач ЭКВЧ необходимо совершенствование алгоритмического и информационного обеспечения формирования аналитических шкал времени.
Описание эталонного комплекса времени и частоты
ЭКВЧ строится на базе группового хранителя частоты, содержащего п (п изменяется от 3 до 8) идентичных, работающих одновременно каналов, каждый из которых включает хранитель частоты, коммутатор и измерительную систему, входами которой служат выходы хранителей частоты [3].
На рис. 1 и 2 показаны в упрощенном виде структурные схемы группового хранителя частоты и измерительной системы соответственно для случая формирования группового сигнала от трех хранителей частоты (п = 3).
Групповой хранитель частоты (ГХЧ) работает следующим образом. Хранители частоты (ХЧ) непрерывно выдают синусоидальный сигнал стандартной частоты (обычно 5 МГц). Эти сигналы поступают на входы коммутаторов (К), после которых при включенных коммутаторах — на сумматор синусоидальных напряжений S. Измерительная система (ИС) периодически проводит измерения разности фаз хранителей частоты с помощью измерителя интервалов времени (ИВ).
Для этого один раз в 5 минут (или в течение другого интервала времени, задаваемого оператором) на входы измерителя интервалов времени (ИВ) с помощью коммутаторов (К) подключаются сигналы от двух хранителей
Рис. 1. Структурная схема группового хранителя частоты: ХЧ — хранители частоты, К — коммутаторы, S — сумматор синусоидальных напряжений, ИС — измерительная система
Fig. 1. The block diagram of the group frequency
keeper shows: ХЧ — frequency keepers, К — commutators, S — sinusoidal voltage adder, ИС — measuring system, ПЭВМ (PC) — computer
частоты: один сигнал, полученный путем деления выходной частоты хранителя частоты 1 до 1 Гц, другой — полученный путем деления до 1 Гц выходного сигнала умножителя разности частот (УЧ), в котором содержится умноженная разность частот хранителей частоты. Измеритель интервалов времени измеряет разность интервалов времени между двумя сигналами, после чего вычисляется относительная разность частот двух хранителей
А/:
тт
где ДТ1; ДТ2 — интервалы времени, измеренные через время т, т — коэффициент умножения разности частот умножителя разности частот.
[ 61 ]
Рис. 2. Структурная схема измерительной системы: УЧ — многоканальный умножитель частоты, ДЧ — делители частоты, К -многоканальные коммутаторы, ИВ — измеритель интервалов времени Fig. 2. The block diagram of the measuring system shows: УЧ — multichannel frequency multiplier, ДЧ — frequency divider, К — multichannel commutators, ИВ — time intervals meter
Формируемые ГХЧ в результате круговых сличений данные относительных разностей частот генераторов служат для формирования шкалы времени группового хранителя частоты и расчета поправки на частоту опорного генератора. Эти данные являются параметрами программы, которая размещается на ПЭВМ.
Описание программы
По данным исследования [4] совокупная стоимость владения ОС на платформе Windows меньше совокупной стоимости владения ОС на платформе Linux, разработка приложений в среде Windows проще разработки Linux-приложений и дешевле в среднем на 30%. Эти соображения послужили основанием для выбора операционной систе-
мы Windows. Программный код реализован на языке С#, который является чрезвычайно мощным языком, содержащим средства создания эффективных программ любого назначения и поддерживающий большинство современных технологий программирования.
Программа реализует следующие функции:
• формирование состава ГХЧ для расчета его аналитической частоты на основе результатов относительных разностей частот, получаемых путем сличения опорного генератора с каждым из генераторов, входящих в группу. В случае превышения установленного значения СКДО частоты одного из генераторов от опорного, данный генератор не включается в состав группы и не оказывает влияние на результат расчета аналитической частоты ГХЧ;
• определение параметров математической модели частоты для каждого генератора из состава ГХЧ на основе результатов сличения опорного генератора с первичным эталоном частоты;
• прогнозирование поправки к шкале опорного генератора относительно координированной шкалы на начало каждых последующих суток для формирования шкалы времени;
• ежемесячный контроль поведения формируемой шкалы времени по результатам ее сравнений с международной шкалой времени.
Пользовательский интерфейс программы реализован с применением визуальных элементов класса Windows Forms, предоставляемых платформой^ЕТ Framework. В качестве графического интерфейса пользователя выбран многооконный интерфейс со стандартным размещением визуальных компонентов, что делает управление программой интуитивно понятным и дает возможность оператору одновременно выполнять несколько задач в одном общем окне (рис. 3).
Программа позволяет определять параметры модели водородных стандартов частоты, формировать состав ГХЧ и рассчитывать зна-
чение его аналитическом частоты в соответствии с методикой расчета национальной шкалы времени TA (SU). На рис. 4 представлен структурный состав программы.
Для контроля формируемой шкалы времени предусмотрена обработка ежемесячных циркуляров, издаваемых Международным бюро мер и весов (BIPM). В целях сравнения формируемой шкалы времени со шкалами других лабораторий в программе имеется возможность построения сравнительных диаграмм на основе данных, полученных в результате дуплексных сравнений шкал времени.
Для визуального отображения параметров генераторов и формируемой шкалы времени используются средства представления данных в виде графиков и диаграмм. Формирование отчетов и построение диаграмм выполнено с применением Microsoft Excel.
Хранение данных и управление базой данных (БД) реализовано с применением СУБД MS SQL Server.
Упрощенный алгоритм работы программы представлен в виде блок-схемы на рис. 5.
После запуска программы периодически выполняется проверка на наличие но-
Рис. 3. Организация графического пользовательского интерфейса Fig. 3. Organization of the graphical user interface
Рис. 4. Структурный состав программно-математического обеспечения Fig. 4. Software components
вых данных по среднесуточным относительным разностям частот с ГХЧ. При обнаружении данные автоматически загружаются в БД. Информация о загруженных данных отображается в главном окне программы. После загрузки данных с ГХЧ за предыдущие сутки оператор выполняет формирование группового хранителя и производит расчет поправки на опорный генератор. Частота опорного генератора, выраженная с поправкой, определяет значение аналитической частоты ГХЧ.
Для вычисления поправки на частоту опорного ХЧ программа выполняет следующие действия.
1. Определяется среднее относительное изменение частоты /-го ХЧ относительно
эталона частоты за прошедшие сутки, выраженные в модифицированной юлианской дате MJD:
V, (г) = Vo(t ) + у(М (г),
где V0(t) — значение среднего относительного изменения частоты опорного ХЧ, полученное по результатам его сравнений с эталоном частоты на двухмесячном интервале времени наблюдений; v0_¡ (г) — среднее за сутки относительное изменение частоты /-го и опорного ХЧ.
2. Определяется значение поправки на частоту /-го ХЧ на момент времени г по формуле
С, (г) = А/, (г)-А/ (г),
Рис. 5. Блок-схема программы Fig. 5. Block diagram of the program
где А/ (1) — относительная разность частот /-го ХЧ и опорного ХЧ на момент времени 1; А/ (1) — расчетное значение поправки на частоту опорного ХЧ, полученное по результатам его сравнений с эталоном частоты на двухмесячном интервале времени наблюдений.
3. Определятся прогнозное значение поправки на частоту опорного ХЧ за прошедшие сутки:
Р0(() = ч0(Г) + А/0(1).
4. Определяются прогнозные значения поправок на частоту каждого /-го ХЧ за прошедшие сутки:
Р (1) = У/ (1) + С, (1).
5. С использованием результатов внутренних сравнений Д/ и рассчитанных про-
гнозных значений поправок на частоты ХЧ за прошедшие сутки определяются значения поправок на частоту опорного ХЧ относительно эталона по каждому ХЧ:
Ъ (1) = р (1) + А/ .
6. Определяется поправка на частоту опорного ХЧ:
F0(t) =
Е F (t)
к
Рассчитанные параметры группового хранителя частоты заносятся в БД.
В конце расчетного месяца по результатам внутренних сличений с эталоном частоты определяются новые параметры модели генераторов. При необходимости в программе предусмотрен возврат к старым значениям.
Совершенствование методики формирования ГХЧ
В процессе модернизации программного обеспечения эталонного комплекса были проведены работы по совершенствованию методики формирования группового водородного хранителя частоты и расчету национальной шкалы времени с целью уменьшения следующих параметров:
• погрешности определения среднего относительного изменения частоты водородного стандарта на месячном интервале измерений [5];
• нестабильности аналитической частоты группового водородного хранителя частоты [6].
Значение среднего относительного изменения частоты v0 опорного водородного стандарта (ВС) определяется по результатам сличений ВС с метрологическим цезиевым репером частоты (МИР) «Фонтан» на интервале времени наблюдения не менее двух месяцев. Сличения опорного ВС с МЦР «Фонтан» производятся регулярно и состоят из серий измерений, проводимых на различных интервалах времени т.. На каждом интервале определяется среднее относительное изменение частоты vi сличаемого ВС. На рис. 6 в качестве примера представлены значения V ,, полученные на протяжении двух расчетных месяцев наблюдений, а также отображены границы неопределенностей, с которыми эти значения были получены.
Результаты измерений выражены с неопределенностями типа А и типа В, следовательно, необходимо произвести суммарную оценку погрешностей измерений. Для оценки суммарной погрешности учитывается неопределенность результатов измерений по типу А, которая характеризует случайную погрешность ослуч и неопределенность по типу В, характеризующую не исключенную систематическую погрешность осисш. В этом случае итоговую погрешность определенного измерения V i можно оценить по следующей формуле:
3,8 3,7 3,6 3,5 3,4 3,3 3,2 3,1
y = 0,013883735л - 789,823434674
a = 0,5-10-15
—"
• Среднее относительное изменение частоты
MJD 5,1
СКО от линии тренда
Рис. 6. Средние относительные изменения частоты водородного стандарта частоты на двухмесячном интервале времени наблюдений
Fig. 6. Averages relative variations of the frequency of the hydrogen maser on a two-month time interval of observations
Для учета неопределенностей при расчете среднего относительного изменения частоты ВС неопределенность значений v i может быть применена в качестве весового коэффициента p,, что позволит получить более точную оценку линейной модели. При этом наблюдается обратная пропорциональность величин:
1
p=v
Соответственно, чем больше неопределенность результата измерений, тем меньшим весом обладает данное измерение при определении параметров модели.
Параметры линейной модели частоты ВС определялись по МНК с учетом весовых коэффициентов:
Ё (Pi )Ё (X,V,Рг ) - Ё (X,P, )Ё (VР )
а_ i=i_i=i_г=1_1
a2 + a2 .
случ cucm
Ё(P, )Ё (X2Pi) - Ё (XV,P,)
i _1 i_1 \ n n
Ё (V,P, ) - аЁ (ХгРг )
\2
V г _1
b _-
Ё (P,)
57109
57139
где xi — дата, выраженная в модифицированной юлианской дате MJD, n — количество серий измерений vi на заданном двухмесячном интервале.
Для сравнительной оценки полученных значений v0, в качестве действительных значений были приняты данные Международного бюро мер и весов, в ежемесячно публикуемом этим органом Циркуляре-R, в котором приводятся среднемесячные значения TAI-CLOCK (нс/сут). Эти значения легко преобразуются в среднемесячное изменение частоты ВС vTAI-BC (Гц/сут) относительно международного атомного времени TAI. По оценке MBMB среднемесячное изменение частоты МЦР относительно TAI за выбранный годовой интервал не превышало Ы0-15 (Гц/сут) и не принималось в расчет. Неопределенность сличения частот ВС с МЦР по типу В составляет 0,5-10-15.
На рис. 7 представлены результаты сравнительной оценки изменения относительной погрешности vr на годовом интервале времени наблюдений.
Результаты проведенной сравнительной оценки представлены в виде изменения относительной погрешности за каждый расчетный месяц:
5 =-
aV
Для уменьшения нестабильности аналитической частоты группового водородного хранителя частоты в алгоритм программы был заложен скользящий интервал оценки параметров моделей водородных хранителей частоты, который позволяет производить оценку параметров линейной модели изменения частоты ВС на каждые сутки измерений за тот же интервал времени наблюдений.
Оценка среднесуточной относительной вариации частоты проводилась через разность соседних в ряду значений среднесуточных относительных отклонений частоты стандарта от эталонной частоты, исходя из уравнения
°0i =Ä0 f, -А0 fv
где А 0 f, =
ft
; А 0 fi+i =
Ч-f л
J у J i+1 ft
В качестве результатов для сравнительного анализа послужили оценки нестабильности аналитической частоты ГХЧ. В первом случае для расчета частоты ГХЧ параметры линейной модели изменения частоты Н-мазеров из состава ГХЧ задавались на на-
1,0 0,0 -1,0 -2,0
..о о4
to -3,0
<
-4,0 -5,0 -6,0 -7,0
Порядковый номер месяца
0,09 0,10
5
-0,98 -0,32 -0,55 -0,15 -0,22 -0,14 -0,02
-6,41
□ Уменьшение погрешности
I Увеличение погрешности
Рис. 7. Сравнительная оценка изменения относительной погрешности измерения v0
на годовом интервале времени наблюдений Fig. 7. Comparative evaluation of changes of the relative inaccuracy of measurements v0 on annual time interval of observations
TAJ - BC
1
2
3
4
6
7
8
9
10
11
12
0,01
3,09
ПРИКЛАДНАЯ ИНФОРМАТИКА / JOURNAL OF APPLIED INFORMATICS
\ Vol. 10. No. 6 (60). 2015 \ _
№ измерения
Рис. 8. Сравнительная оценка нестабильности частоты группового эталона по двум методам Fig. 8. Comparative evaluation of the group frequency standard by two methods
чало каждого расчетного месяца и на протяжении месяца не изменялись. Во втором случае параметры линейной модели пересчиты-вались на каждые сутки измерений. На рис. 8 приведена сравнительная оценка двух методов расчета аналитической частоты ГХЧ.
Результат представлен в виде уменьшения СКДО аналитических частот ГХЧ благодаря применению скользящего интервала и выражен в процентах. Оценка СКДО проводилась каждые сутки с интервалом времени измерений 10 суток на интервале времени наблюдения 3 месяца.
Заключение
В работе представлено описание программы эталонного комплекса времени и частоты. В ходе эксплуатации программы в Государственном метрологическом центре Государственной службы времени, частоты и определения параметров вращения Земли были получены следующие результаты:
• применение весовых коэффициентов при определении параметров регрессионной модели изменения частоты опорного ВС позволяет незначительно уменьшить среднемесячное изменение относительной погрешности на годовом интервале времени наблюдений в среднем на 1%;
• применение скользящего интервала оценки параметров модели частот ВС на каж-
дые сутки измерений позволяет значительно снизить нестабильность аналитической частоты ГХЧ. В среднем относительное уменьшение СКДО при использовании нового метода составило 10% на трехмесячном интервале времени наблюдений.
Список литературы
1. ФГУП «ВНИИФТРИ». Эталонный комплекс времени и частоты. Пояснительная записка. Менде-леево, 2013.
2. ФГУП «ВНИИФТРИ». Содержание Государственной службы времени и частоты и определение параметров вращения земли. Отчет. Мен-делеево, 2014.
3. Логачев В. А., Пастухов А. В., Сахаров Б. А., Ульянов А. А. Групповой эталон частоты и времени. Патент РФ, № 2009536, 1994.
4. DiDio L. Linux, Unix and Windows TCO Compar-sion, Report. YANKEE GROUP, 2004.
5. Рощин Д. А. Учет неопределенностей при расчете среднего относительного изменения частоты водородного хранителя частоты // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Екатеринбург, 2015.
6. Рощин Д. А. Влияние скользящего интервала оценки параметров моделей водородных хранителей частоты на нестабильность аналитической частоты группового хранителя. // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции. Волгоград, 2015.
References
1. МGFК 411711.158 EN. Set of standards of time and frequency. Mendeleevo. FSUE «VNIIFTRI», 2013.
2. Report. Soderzhanie Gosudarstvennoj sluzhby vre-meni i chastoty i opredelenie parametrov vrashheni-ya zemli [Keeping State service of time, frequency and the Earth rotation parameters determination]. Mendeleevo, FSUE «VNIIFTRI». 2014.
3. Logachev V. A., Pastuhov A. V., Saharov B. A., Ul'yanov A. A. Gruppovoj etalon chastoty i vremeni [Group standard of time and frequency]. Patent RF, no. 2009536, 1994.
4. DiDio L. Linux, Unix and Windows TCO Compar-sion, Report. YANKEE GROUP, 2004.
5. Roschin D. A. Uchet neopredelennostej pri raschete srednego otnositel'nogo izmeneniya chastoty vodoro-dnogo hranitelya chastity [Taking into account the
uncertainties in calculation of the average relative frequency variation of the hydrogen frequency keeper]. // Institute of interdisciplinary «Since and education». 2015. no. 7 (14) 6. Roschin D. A. Vliyanie skol'zyashhego intervala oczenki parametrov modelej vodorodnyh hranitelej chastoty na nestabil'nost'analiticheskoj chastoty gruppovogo hranitelya [The influence of sliding interval estimation of the frequency model parameters of hydrogen keepers on the frequency uncertainty of the analytical frequency of the group keeper] // Collection of scientific works to the international scientific-practical conference. Volgograd, 2015.
D. Roschin, FSUE «VNIIFTRI», Mendeleevo, Moscow region, Russia, whwhwh@mail.ru
Software modernization of the standards complex of time and frequency
This article describes the work performed by the author on the modernization of software of the standards complex of time and frequency. New software is developed; there were made improvements to the algorithm of formation of the analytical time scales. This work was performed with the aim of developing technical means for fundamental support of the GLONASS system for modernization of systems for national time scale keeping on the basis of hydrogen masers to achieve the tactical and technical characteristics of the GLONASS system on the harmonization of the national time scale with the International scale of coordinated universal time. Developing standards complex of time and frequency must be part of modernized complexes of national time scale and is intended to ensure that time scales of modernized complexes for national time scale keeping. In the process of upgrading software of the standards complex, there was done the work on improving the methods of forming group hydrogen keeper of the frequency and calculation of the national time scale. There were applied weight coefficients to reduce the error of the mean relative changes in the frequency of the hydrogen standard, on a monthly measurement interval. The sliding interval estimation of the frequency model parameters of hydrogen masers was used for reducing the frequency instability of the analytical frequency of group hydrogen keeper. During use of the program in the State metrological centre «State service of time, frequency and the Earth rotation parameters determination», it was concluded that the application of weight coefficients when determining the parameters of the regression model of frequency changing of the reference standard allows slightly reduce the average relative errors on annual time interval of the observations on average by 1%. It was found that the use of a sliding interval estimation of the frequency model parameters of hydrogen masers at each day of measurements can considerably reduce the instability of the analytical frequency of group hydrogen keeper. Using the new method the relative decrease of the frequency instability was approximately 10% for a three-month time interval of observations.
Keywords: group frequency standard, frequency uncertainty, relative frequency variation, method of least squares, weights. About author: D. Roschin, PhD in Technique
For citation: Roschin D. Software modernization of the standards complex of time and frequency. Prikladnaya Informatika — Journal of Applied Informatics, 2015, vol. 10, no. 6 (60), pp. 60 - 69 (in Russian).
- [ 69 ]
Инструментальные средства Эффективные алгоритмы
