CC BY
76
УДК 004.942
ОБРАБОТКА ДАННЫХ, ПОЛУЧЕННЫХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ РАБОТЫ КОМПЛЕКСА ФОРМИРОВАНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ВТОРИЧНОГО ЭТАЛОНА ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ
_ и о о
© А.В. Здериглазова1, В.М. Акулов2, Л.Н. Курышева3
1,2,3Восточно-Сибирский филиал Всероссийского научно-исследовательского института
физико-технических и радиотехнических измерений,
664056, Россия, г. Иркутск, ул. Бородина, 57.
1Иркутский государственный университет путей сообщения,
664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Рассмотрена актуальная проблема формирования и управления рабочей шкалой времени, приближенной к расчетной шкале координированного времени локального эталона (UTC(k)) и к национальной шкале координированного времени UTC(SU). Для решения этой задачи была разработана система, позволяющая сформировать рабочую шкалу времени с высокой точностью, согласованную с расчетной (аналитической) шкалой UTC(k). Ее применение позволит обеспечить региональных пользователей физической шкалой UTC(k) в реальном времени, а также повысить оперативность передачи данных в единый центр обработки для их дальнейшего использования в рамках программы развития системы ГЛОНАСС.
Ключевые слова: шкала координированного времени; эталон времени и частоты; физическая шкала времени; автоматизированная система управления.
PROCESSING THE DATA OBTAINED BY THE OPERATION RESULTS OF THE SYSTEM FOR SECONDARY
CLOCK TIME SCALE FORMATION
A.V. Zderiglazova, V.M. Akulov, L.N. Kurysheva
East-Siberian Branch of All-Russian Research Institute of Physico-Technical and Radio Engineering Measurements, 57 Borodin St., Irkutsk, 664056, Russia. Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
The paper deals with the relevant issue of forming and controlling an operating time scale that is approximate to the Coordinated Universal Time scale of the local Time Standard (UTC(k)) and to the National Coordinated Universal Mean time scale UTC(SU). To solve this problem we have designed a system that allows to form a highly precise physical time scale matched to the calculated (analytical) UTC(k) scale. The application of the system will provide regional users with the real time physical implementation of the UTC(k) scale and improve the efficiency of data transmission to the single processing center for their further use within the development program of the GLONASS system. Keywords: coordinated time scale; time and frequency standard; physical time scale; automated control system.
Эталоны единиц времени и частоты (ЭВЧ) предназначены для воспроизведения, хранения и передачи единиц времени и частоты в соответствии с их определением в системе СИ, а также для формирования, хранения и передачи координированных шкал времени (ШВ). Необходимость совершенствования ЭВЧ связана с техническими объектами, нуждающимися в точных измерениях интервалов времени либо в точной синхронизации процессов. К их числу относятся, например, системы связи, глобальная навигационная спутниковая си-
стема ГЛОНАСС, средства радиоастрономии, распределенные вычислительные системы и измерительные комплексы.
Основой современных ЭВЧ являются атомные стандарты частоты (водородные, цезиевые, рубидиевые и т.д.). Для улучшения характеристик эталона необходимо, чтобы в его состав входило несколько атомных стандартов, что позволяет сформировать групповой хранитель времени и частоты, более точный и надежный, чем отдельные стандарты, входящие в его состав. Подробнее о построении групповых
1
Здериглазова Агния Васильевна, аспирант, инженер отдела № 10 ВСФ ВНИИФТРИ, e-mail: agniyaz@yandex.ru Zderiglazova Agnia, Postgraduate, Engineer of the Department no.10 of the East-Siberian Branch of All-Russian Research Institute of Physico-Technical and Radio Engineering Measurements, e-mail: agniyaz@yandex.ru
2Акулов Владислав Михайлович, начальник отдела № 10, e-mail: vakulov@vniiftri.irk.ru Akulov Vladislav, Head of the Department no. 10, e-mail: vakulov@vniiftri.irk.ru
3Курышева Людмила Николаевна, начальник метрологического сектора отдела № 10. Kurysheva Liudmila, Head of the Metrology Sector of the Department no. 10.
хранителей времени и частоты можно прочитать в работах [2, 4].
В настоящее время в мире существует большое количество локальных эталонов времени и частоты, образующих единую систему воспроизведения и хранения размера единиц времени, частоты и шкал времени, основными из которых являются шкала атомного времени (ТА) и шкала координированного всемирного времени (иТС). Каждый локальный ЭВЧ формирует собственные версии (реализации) шкал ТА(к) и иТС(к), с той или иной степенью точности согласованные с национальной или всемирной системой воспроизведения и хранения размера единиц времени, частоты и шкал времени. Наличие локальных ШВ и каналов сличения между ними создает возможность формирования группового ЭВЧ, функционирующего в рамках государственного или международного проектов.
В России поддерживаются шкалы ТА(Би) и иТС(Би), формированием которых занимается Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли (ГСВЧ); в ее состав входят Государственный первичный эталон единиц времени, частоты и национальной шкалы времени, а также вторичные ЭВЧ, расположенные по всей стране. Каждый из этих эталонов является сложным научно-техническим комплексом, способным формировать как автономную высокостабильную шкалу ТА(к), так и шкалу координированного времени иТС(к), с высокой точностью согласованную с иТС(Би).
Шкалы времени ТА(к) и иТС(к) являются аналитическими шкалами, т.е. представляют собой значения математических поправок к физическому выходному сигналу 1 Гц непрерывно работающих квантовых часов на любой момент времени. Они рассчитываются по результатам сравнения и последующего статистического взвешивания значений частот отдельных атомных стандартов на суточных и более длительных интервалах времени наблюдений [5], а также по результатам внешних сличений с опорным эталоном системы -
Государственным первичным ЭВЧ.
Однако существуют задачи, для решения которых необходимы рабочие шкалы времени, являющиеся физическими реализациями аналитических шкал эталонов. Одной из таких задач является оперативный метрологический контроль системных шкал времени, передаваемых космическими аппаратами ГЛОНАСС, GPS и других навигационных систем.
На базе Государственного первичного эталона времени и частоты функционирует аппаратурно-программный комплекс (АПК), предназначенный для формирования рабочих ШВ, физически реализующих национальную шкалу UTC (SU), и входящий в состав средств фундаментального обеспечения ГЛОНАСС. Создание подобных комплексов на базе вторичных ЭВЧ имеет ряд существенных отличий, обусловленных иной технической оснащенностью вторичных эталонов и методами сличений с опорным эталоном.
На вторичном эталоне времени и частоты Восточно-Сибирского филиала ВНИИФТРИ (ВЭТ 1-5) создана автоматизированная система контроля и управления рабочими шкалами, обеспечивающая физическую реализацию аналитической (расчетной) шкалы времени UTC(k). Технической основой системы являются базовые технические средства вторичного эталона: комплекс формирования шкал времени (КФШВ); комплекс внутренних сличений хранителей эталона; комплекс внешних сличений шкал времени вторичного эталона с первичным (опорным) посредством сигналов ГНСС.
Шкала времени получается в результате деления высокостабильного эталонного сигнала, генерируемого водородным стандартом частоты. Для формирования физической ШВ, приближенной к расчетной шкале UTC(k), необходимо выполнить два условия:
1. Подать на вход делителя частоты сигнал с частотой, приближенной к номинальной (fH0M. = 5 МГц), чтобы получить на его выходе сигнал с периодом, равным 1 с.
2. Скорректировать фазу сигнала
5 МГц так, чтобы временное положение импульсов с частотой 1 Гц формируемой шкалы времени совпадало с аналитической шкалой.
Необходимо учесть, что частота, получаемая на выходе водородного стандарта (ВС), постепенно меняется, т.е. имеет так называемый уход частоты. Каждый ВС имеет собственный уход, который можно оценить при помощи взаимных измерений частоты группы приборов, называемыми внутренними сличениями. Для внутренних измерений на эталоне ВЭТ 1-5 используются современные многоканальные фазовые компараторы, по схеме «каждый с опорным». На основании этих измерений рассчитываются взаимные разности частот сличаемых генераторов. На практике для удобства используются относительные разности частот АЬ/Ьном.
Для создания координированной системы хранения единиц времени и частоты необходимы внешние сличения эталона, которые позволяют получить оценки частот хранителей, входящих в состав вторичного эталона, относительно более высокостабильной меры - Государственного первичного эталона единиц времени и частоты, частоту которого (Ьпэ) мы принимаем как наиболее близкую к Ьном. Пусть АЬ = Ьпэ - Ь разность частот первичного эталона и /-го
ВС, таким образом, для формирования рабочей шкалы следует использовать сигнал скорректированной частоты Г,- = Ь + АЬ .
Для коррекции частоты используются генераторы для прецизионного ввода отстроек по частоте и фазе высокого разрешения ИРОО-5. Разрешающая способность ИРОв по частоте выходного сигнала
а п ^
составляет 5-10 (технический параметр). На вход ИРОв подается сигнал водородного стандарта частоты и подключается контур дистанционного управления в режиме коррекции частоты входного сигнала. Сигнал с выхода ИРОв, скорректированный по частоте, подается на вход буферного усилителя, к одному из выходов которого подключен фазовый корректор шкал времени (ФКШВ), работающий в режиме дистанционного управления смещением фазы входного сигнала. ФКШВ имеет разрешающую способность по фазе 1 нс (технический параметр).
Для повышения надежности системы одновременно по идентичным каналам от сигналов разных ВС происходит формирование двух рабочих шкал времени РШ1 и РШ2, физически приближенных к шкале координированного времени иТС(Би), и двух эталонных сигналов с частотой 5 МГц, приближенной к номинальному значению (рис. 1).
Рис. 1. Структурная схема системы формирования шкал времени ВЭТ 1-5
Для дистанционного управления ИРОв и ФКШВ используется программный модуль, функционирующий в режиме реального времени. Коррекция частоты осуществляется один раз в сутки. Величина отстройки по фазе рассчитывается ежечасно как отклонение рабочей шкалы от аналитической шкалы времени иТС(к), и, если эта разность превышает заданный допуск, проводится коррекция по фазе.
Оценки частоты ВС и положения формируемых шкал времени в системе первичного эталона иТС(Би) производятся системой обработки измерений и формирования текущих и прогнозных оценок состояния объектов локального эталона (программный комплекс метрологического контроля и управления объектами ВЭТ 1-5), функционирующей в режиме, приближенном к реальному времени. В качестве исходных данных для расчетов в этой системе используются прецизионные взаимные измерения ВС, а также результаты высокоточных сличений разнесенных шкал времени вторичного и первичного ЭВЧ (внешние сличения). Сличения осуществляются посредством сигналов спутниковых радионавигационных систем СРБ/ГПОНАСС. Метод обработки результатов измерений - по всем видимым навигационным спутникам (НС). Выбранный метод особенно эффективен при синхронизации часов, удаленных более чем на 2500 км [6]. В представленном исследовании рассматриваются данные, полученные от приемников, находящихся на расстоянии более 4000 км, поэтому метод работы по всем видимым НС является в нашем случае предпочтительным.
При радионавигационных измерениях большое значение имеет погрешность, возникающая из-за задержки сигнала в ионосфере. Существуют два основных метода ее компенсации: моделирование параметров ионосферы и использование аналитического Р3-кода, для которого необходимы измерения на двух частотах по кодам Р1 и Р2. В данной работе используется именно Р3-код, так как он эффективнее устраняет влияние ионосферы, чем
модель, передаваемая в навигационных сообщениях системы GPS. Результаты экспериментальных исследований показали, что случайная суточная погрешность сравнения по частоте разнесенных эталонов по коду C/A на частоте L1 равна +1010-15, а по комбинации кодов P1 и P2 на частотах L1 и L2 она равна +2,510-15 [3].
При формировании физической шкалы времени результаты внешних сличений с первичным эталоном доступны с задержкой, которая может составлять несколько суток, но при этом шкала должна формироваться непрерывно в реальном времени. Для решения этой задачи строится прогнозирующая модель изменения частоты опорного ВС во времени относительно первичного эталона. В [4] построение прогнозирующих моделей относительных отклонений частот ВС осуществляется с учетом как детерминированных трендов, так и случайных составляющих. Применительно к данной работе модель изменения среднесуточных относительных отклонений частот ВС на месячном интервале можно считать близкой к линейной, а стохастические составляющие малыми в сравнении с погрешностями, вносимыми каналом сличения.
Значения прогнозов частоты, полученные при моделировании, используются для формирования аналитической шкалы UTC(k) и для дистанционного управления устройствами HROG и ФКШВ, которое осуществляется в автоматическом режиме. В результате формируются: физическая шкала времени, приближенная к расчетной, и частота, приближенная к частоте первичного эталона.
Экспериментальная установка на базе первой версии разрабатываемого программного обеспечения была собрана и испытана. В результате получены две шкалы времени, согласованные с расчетной шкалой времени UTC(k) в пределах +1 нс и со шкалой времени UTC(SU) в пределах +4 нс с вероятностью 99%. На выходе HROG также получены сигналы частоты со случайной относительной погрешностью воспроизведения номинального значения,
1Я
не превышающей +310" , при среднем значении, близком к нулю.
На рис. 2 представлена гистограмма распределения измерений среднесуточных значений отклонений физической шкалы времени, полученной на выходе ФКШВ1 (РШ1) от расчетной шкалы координированного времени иТС(1т) за период с 24.03.2015 г. по 23.10.2015 г.
На гистограмме видно, что подавляющее большинство измерений (99%), находится в пределах +1 нс, этот диапазон обусловлен разрешающей способностью ФКШВ. Отклонения, превышающие +1 нс, связаны с техническими работами на эталоне. Также из рис. 2 видно, что зависимость количества измерений от их величины имеет распределение вероятности, близкое к нормальному, и максимум функции распределения совпадает с нулевым значением разности шкал.
Данные, проиллюстрированные гистограммой, характеризуют представленную систему контроля шкал времени, но для анализа работы КФШВ в целом необходимо сравнение рабочих шкал со шкалой иТС(Би); для этого могут быть использованы результаты внешних сличений с применением ГНСС. Разность шкал (иТС(Зи) - РШ) рассчитывается по фор-
муле (1):
УГ5(5У) - РШ( = (УГ5(5У) - -
-(ШВгер - ШВС^5) - (РШ[ - ШВгер), (1)
где (УГ5(5У) - - разность шкал
времени иТС(Би) и ГНСС; (ШВгер -ШВе1155) - разность шкал времени опорного ВС и ГНСС; (РШ( - ШВгер) - разность рабочей шкалы и шкалы опорного ВС.
На рис. 3 представлен график среднесуточных отклонений физической шкалы времени РШ1 за период с 01.04.2015 г. по 09.07.2015 г. от шкалы координированного времени иТС(Би). На графике видно, что отклонения не выходят за пределы допуска +4 нс, это говорит о высоком качестве формируемой рабочей ШВ, так как согласно нормативным документам на Государственный вторичный эталон единиц времени и частоты ВЭТ 1-5 [1] пределы допускаемого смещения локальной шкалы координированного времени относительно национальной шкалы координированного времени иТС(Би) составляют +30 нс. Вертикальные линии на рис. 3 соответствуют коррекциям, осуществленным при помощи ФКШВ.
Рис. 2. Гистограмма распределения измерений среднесуточных значений отклонений РШ1 от расчетной шкалы
Рис. 3. Среднесуточные разности шкал иТС(Зи) и РШ1 (сплошная линия) и величины коррекции по фазе (вертикальные линии) за период с 1 апреля по 9 июля 2015 г.
На основании данных, полученных за период с 24.03.2015 по 23.10.2015 г. было построено распределение среднесуточных отклонений РШ1 от шкалы иТС(Би) (рис. 4).
Анализ полученных результатов показал, что разработанная система обеспечивает формирование физических шкал времени локального эталона, согласованных с расчетной шкалой иТС(к) в пределах
Рис. 4. Гистограмма распределения среднесуточных значений отклонений РШ1 от шкалы UTC(SU)
На гистограмме видно, что 99% измерений находится в пределах +4 нс, этот диапазон не превышает погрешности выбранного канала внешних сличений, которая составляет +5 нс, согласно нормативным документам на Государственный вторичный эталон единиц времени и частоты ВЭТ 1-5.
+1 нс и со шкалой иТС(Би) в пределах +4 нс с вероятностью 99%, а также сигналы частоты со случайной относительной погрешностью воспроизведения номинальной частоты, не превышающей +310-15, при среднем значении, близком к нулю.
Для дальнейшего повышения точности согласования физической шкалы вто-
ричного эталона со шкалой иТС(Би) необходимо совершенствовать методы сличения шкалы иТС(к) с первичным эталоном, алгоритм формирования управляющих поправок и систему обработки измерений и
Библиогра
1. ГОСТ 8.129-2013. ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений времени и частоты. М.: Стандартинформ, 2014. 8 с.
2. Алгоритм групповой шкалы времени с использованием скользящего среднего на нескольких временных масштабах / Подогова С.Д. [и др.] // Измерительная техника. 2015. № 5. С. 40-44.
3. Здериглазова А.В., Курышева Л.Н., Акулов В.М. Исследование возможных методов формирования рабочих шкал, физически реализующих шкалу координированного времени локального эталона // Метрология времени и пространства: сб. мат-лов седь-
формирования текущих и прогнозных оценок состояния объектов локального эталона.
Статья поступила 28.12.2015 г.
кии список
мого Международного симпозиума. Менделеево: ВНИИФТРИ, 2014. С. 231-235.
4. Обработка данных, полученных по результатам взаимных измерений вторичного эталона времени и частоты / Ю.П. Хрусталёв [и др.] // Вестник ИрГТУ. 2012. № 7. C. 22-28.
5. Пушкин С.Б., Пальчиков В.Г. Государственная служба времени, частоты и определения параметров вращения Земли. М.: ВНИИФТРИ, 2013. 235 с.
6. Weiss M.A., Petit G., Jiang Z. A comparison of GPS common-view time transfer to all-in-view // Proc. Frequency Control Symposium and Exposition. 2005. № 1. P. 324-328.
УДК 519.233.5
О ПОДХОДАХ К ВЕРОЯТНОСТНОМУ АНАЛИЗУ ПЕРЕСТАНОВОЧНЫХ ПРОЦЕДУР ГЕНЕРИРОВАНИЯ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
© А.В. Петров1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассматриваются подходы к вероятностному анализу перестановочных процедур генерирования случайных процессов с одновременно задаваемыми законом распределения вероятностей и автокорреляционной функцией. Ранее проведены исследования данного класса генераторов при простейшем (бернуллиевском) законе распределения и минимальном значении параметра упорядочения n = 2. Представлены возможные направления анализа при параметре упорядочения n > 2 и произвольном законе распределения вероятностей. Ключевые слова: случайная величина; закон распределения вероятностей; корреляционная функция; генерирование случайных процессов.
ON APPROACHES TO THE PROBABILISTIC ANALYSIS OF PERMUTABLE PROCEDURES OF RANDOM PROCESS GENERATION A.V. Petrov
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article discusses the approaches to the probabilistic analysis of permutable procedures of random processes generation with simultaneous defining of the law of probability distribution and an autocorrelation function. The given class of generators has been studied earlier under the elementary (Bernoulli) distribution law and minimal value of n=2 of the ordering parameter. Possible analysis directions when the ordering parameter is n>2 and an arbitrary probability distribution law are given.
Keywords: random value; probability distribution law; correlation function; random process generation. Введение
В научном издании [1] представлены результаты вероятностного анализа перестановочной процедуры генерирования случайных процессов с одновременно задаваемыми (требуемыми) одномерным законом распределения вероятностей и не дельтаобразной автокорреляционной функцией.
Петров Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных систем, e-mail: petrov@istu.edu
Petrov Alexander, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automated Systems, e-mail: petrov@istu.edu
