CC BY
29
Komov Anatoli Anatolievich, adjunct, komov@mail.ru, Russia, Saint- Petersburg, Military Academy of Communications named after S.M. Budyonny
УДК 621.396
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-436-440
ЧАСТОТНО-ВРЕМЕННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
Д.О. Шимкив, О.В. Маслова
Рассмотрена основная аппаратура частотно-временного обеспечения средств измерений.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, система единого времени, аппаратура потребителей, частотно-временное обеспечение.
Создание Государственной системы единого времени и эталонных частот Министерства обороны СССР стало толчком для совершенствования космических навигационных систем. Создание глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС, осуществленной в интересах обороны, промышленности, транспорта, телекоммуникаций, науки, наземной и космической навигации, сориентировало экономику России на преимущественное использование сигналов координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО) этой системы.
В настоящее время спутниковые радионавигационные системы являются наиболее точным средством определения местоположения и передачи точного времени в глобальном масштабе, позволяя потребителям получать координаты с погрешностью порядка нескольких метров, а время - с погрешностью порядка десятка наносекунд [1].
Для проведения временной привязки средств потребителя на каждом приемном пункте установлена аппаратура временной привязки системы единого времени (СЕВ).
СЕВ включает технические средства, формирующие и передающие сигналы или коды времени сетевым элементам. В СЕВ используются серверы времени, принимающие сигналы глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС/GPS (Global Positioninq System), в которых передается эталонная шкала всемирно координированного времени UTC (Coordinated Universal Time), а также имеются клиенты, устройства в сети, синхронизируемые сигналами времени, поступающими от серверов времени. СЕВ строится по иерархическому принципу (рис. 1).
Аппаратура приемных пунктов создана на базе унифицированных электронных модулей (УЭМ). Номенклатура УЭМ и стандартный конструктив для их размещения и соединения позволяют производить комплектование приемных пунктов для каждого конкретного объекта в соответствии с точностными требованиями, необходимой номенклатурой и количеством выходных сигналов, заданными режимами. Степень автоматизации аппаратуры приемных пунктов позволяет реализовать режим периодического обслуживания.
Существуют, так называемые слои или уровни Stratum. Нулевым уровнем Stratum 0 определяется система ГЛОНАСС или различные эталоны времени (атомные, иридевые, кварцевые и т.д.), которые формируют и передают шкалу UTC. Уровень 1 занимают первичные серверы времени с приемниками сигналов ГЛОНАСС/GPS, оборудование уровня 2 синхронизируется с серверами времени уровня 1 и т.д. Серверы времени первого уровня, приняв шкалу UTC, формируют необходимые потребителям частотно-временные сигналы (NTP, PTP, IRIG, TOD, 10МГц, 1PPS, 2,048МГц/2,048Мбит/с). Таким образом, можно обеспечить синхронизацией сразу множество различных потребителей, в одном случае это будет временная синхронизация, а в другом случае частотная [2].
Частотно-временное обеспечение в Российской Федерации осуществляет Государственная служба времени и частоты, деятельность которой обеспечивают организации Росстандарта, Минобороны, Минкомсвязи, Российской академии наук и других ведомств под руководством Росстандарта. Научно-методическое и оперативное управление работой ГСВЧ осуществляет Главный метрологический центр (ГМЦ) ГСВЧ, являющийся подразделением Всероссийского научно-исследовательского института физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) в пос. Менделеево, Московской области. Передача времени и частоты потребителям осуществляется под контролем Росстандарта радиостанциями Минкомсвязи. Параметры передачи времени и частоты радиостанциями РФ приведены в табл. 1.
Модули привязки шкалы времени обеспечивают привязку шкалы по сигналам средств передачи Государственной системы единого времени и эталонных частот Государственной системы единого времени и эталонных частот (ГСЕВЭЧ).
В составе аппаратуры наземных средств приемных пунктов разработано устройство синхронизации персональной электронно-вычислительной машины, аппаратура синхронизации удаленного потребителя.
На базе созданной аппаратуры приемных пунктов, разработана аппаратура, обеспечивающая переоборудование систем синхронизации и единого времени для полигонных измерительных и стартовых комплексов (изделия 14Б765 и 14Б766). Для решения специальных задач полигонов и космодромов разработана аппаратура приема-передачи сигнала «Контакт-подъёма» по радиоканалу, а также устройство регистрации сигнала «Контакт-подъема» и формирования сигнала «Старт».
Система единого точного времени
ГЛ01 lACC'GPS \
Первичный сервер времени Метроном-200/300 (NTP)
ГЛОНАСС/GPS 8$
ГЛОНАСС/GPS
Первичный сервер времени LANTIME-600 (РТР)
¿'"'¿'"''¿Г
ЦКС Серверы СУ Клиенты
¿NTP/PTP INTP.FTP N TP/FTP
) О <§>
ЦКС Серверы СУ Клиент
Рис. 1. Система единого точного времени
Параметры передачи частоты и времени радиостанциями РФ
Таблица 1
Не определенность по времени/частоте Расстояние (км) Тип Система Примечание
0,3-2 мс / (1-10)е-8 10000 КВ Минкомсвязь РВМ
0,03-0,3 мс / (3-5)е-12 1000 ДВ Минкомсвязь РБУ
0,3-1 мс / (1-10)е-11 3000 ДВ Минкомсвязь РБУ
0,02-10 мкс 200 ТВ ТТЦ ХЧВ [2]
1-2 мкс 1500 ДВ ГСЕВЭЧ Поверхностная волна
< 20 мкс 10000 ДВ ГСЕВЭЧ Поверхностная волна [2]
3-5 мкс СДВ ГСЕВЭЧ С калибровкой [2]
20-35 мкс СДВ ГСЕВЭЧ Без калибровки
< 0,5 мс СДВ ГСЕВЭЧ По огибающей
Аппаратура привязки по сигналам космических навигационных систем (КНС) ГЛОНАСС/GPS (14Ш127) предназначена для определения расхождения шкал времени (ШВ) эталонов времени и частоты (ЭВЧ) относительно шкал времени систем (ШВС) ГЛОНАСС и GPS с целью последующего определения взаимного расхождения ШВ разнесенных ЭВЧ, определения расхождения ШВ ЭВЧ и объектов относительно национальной координированной шкалы времени России UTC(SU) и координированной шкалы времени, формируемой военно-морской обсерваторией США UTC (USNO), и уточнения координат пользователя, а также выдачи сигналов ШВ, синхронизированных с UTC (SU) или ШВС ГЛОНАСС.
В настоящий момент используется аппаратура частотно-временного обеспечения (ЧВО) следующих типов и классов:
аппаратура приемных пунктов СЕВ 3-го класса точности 14Б763; аппаратура приемных пунктов СЕВ 4-го класса точности 14Б764;
аппаратура синхронизации и единого времени полигонных измерительных и стартовых комплексов 3-го класса точности 14Б765;
аппаратура синхронизации и единого времени полигонных измерительных и стартовых комплексов 4-го класса точности 14Б766.
Изделия 14Б763 и 14Б764 предназначены для формирования, хранения и привязки шкалы времени и выдачи потребителю набора сигналов и кодов оцифровки времени, синхронизированных с координированной шкалой времени UTC (SU).
Изделия 14Б765 и 14Б766 предназначены для формирования, хранения и привязки шкалы времени, выдачи потребителям набора сигналов и кодов оцифровки времени, синхронизированных с координированной шкалой времени UTC (SU), а также для регистрации и выдачи стартовых сигналов.
В настоящее время перспективными образцами потребителей частотно-временного обеспечения являются малогабаритная аппаратура потребителей МАП-3 (изделие 14Б783) и МАП-4 (изделие 14Б784). Данная аппаратура предназначена для приема сигналов единого времени, передаваемых средствами Государственного системы единого времени и эталонных частот «Цель», а также для формирова-
ния, синхронизации и хранения шкалы времени. МАП-3 и МАП-4 могут устанавливаться стационарно в технических зданиях или мобильно на «Камаз-5350».
В состав МАП-3 (изделие 14Б783) входят: блок формирования сигналов, блок антенный СДВ-Р-Р, блок антенный КНС ГЛОНАСС/GPS, блок антенный ДВ, усилитель магистральный (рис. 2).
Рис. 2. Состав изделия 14Б783
В состав МАП-4 (изделие 14Б784) входят: блок формирования сигналов, блок антенный, усилитель магистральный (рис. 3).
Я -Лч'"
Изделие ¡4Б784
Рис. 3. Состав изделия 14Б784
Аппаратура потребителей нового поколения МАП-3 и МАП-4 позволяет обеспечить синхронизацию ШВ потребителей ВС РФ по сигналам КНС ГЛОНАСС/GPS, радиостанций ДВ РНС ВВС и СДВ РС ВМФ с иТС ^Ц) с точностными характеристиками, приведёнными в табл. 2 [3].
Таблица 2
Точностные характеристики привязки/синхронизации ШВ_
Точностные характеристики Значения
КНС ГЛОНАСС/GPS ДВ РНС ВВС СДВ РС ВМФ
Погрешность (СКО) привязки ШВ потребителей к ШВ UTS (SU), не более, мкс 0,02 1,5 (поверхностный слой) 17 (пространственный слой) 3,0
Также данная аппаратура обеспечивает прием и обработку аппаратурой СЕВ нового поколения одновременно до 24 космических аппаратов ГЛОНАСС и GPS навигационных сигналов стандартной и высокой точности (L1/L2) КНС ГЛОНАСС, сигналов С/А (L1) КНС GPS [4].
МАП-3 и МАП-4 предназначены для работы при температуре окружающей среды от минус 100С до плюс 400С (предельная температура окружающей среды - от минус б0оС до плюс 600С), что соответствует климатическим условиям территории России. Точностные тактико-технические характеристики аппаратуры ЧВО приведены в табл. 3.
Положительные стороны перспективной аппаратуры частотно-временного обеспечения: уменьшение веса и габаритов, заявленные заводом изготовителем; уменьшение погрешности синхронизации шкалы времени в автоматическом режиме; получение более быстрого времени выхода в рабочий режим после включения; вероятность использования аппаратуры на подвижных средствах полигонного измерительного комплекса;
уменьшение стоимости комплекта аппаратуры; увеличение срока вероятности безотказной работы.
Отрицательные стороны перспективной аппаратуры частотно-временного обеспечения: невозможность использования аппаратуры в автоматическом режиме по сигналам радиостанций ДВ РНС (аппаратура 14Б784);
увеличение предельной погрешности хранения ШВ при переходе из режима автоматического управления частотой;
увеличение предельной погрешности хранения ТТТВ по сигналам КНС ГЛОНАСС/GPS в автономном режиме;
проведение анализа только со слов и представления ТТХ заводом изготовителем. Передача сигналов или кодов времени сетевым элементам по волоконно-оптическим линиям связи (ВОЛС), с пропускной способностью от 100 до 112 Гбит/с, является передовой технологией, позволяющей повысить уровень ЧВО сети связи различных технических систем. Для реализации ЧВО стационарных потребителей на удаленных объектах с передачей времени, рекомендуется использование ВОЛС, с погрешностью синхронизации не более 2 нс. Так задержка сигнала, вносимая оптическим волокном, на расстоянии 1 км составляет 4,83 мкс, на 10 км - 48,3 мкс, на 20 км - 96,5 мкс, на 30 км - 144,9 мкс, на 40 км - 193,2 мкс, на 60 км - 289,8 мкс.
Таблица 3
Анализ тактико-технических характеристик аппаратуры ЧВО_
Наименование характеристик Изделие 14б763 Изделие14Б764 Изделие 14Б766
Предельная погрешность синхронизации шкалы времени относительно иТС($и) в авт. режиме:
- сигналы КНС ГЛОНАСС^Р8 1 мкс 1 мкс 5 мкс
- сигналы радиостанций ДВ РНС 5 мкс - до 14 мкс
Предельная погрешность хранения ШВ при переходе из режима автоматического управления частотой за сутки 1 мкс за 2 часа 2 мкс за 5 сут 1 мс
Предельная погрешность хранения ШВ, по сигналам КНС ГЛОНАСС^Р8, в автономный режим 50 мкс за месяц 20 мкс за сутки 20 мкс за месяц
Время выхода в рабочий режим после включения 1 час 30 мин 1 час
Масса базового блока 16 кг 9 кг 32 кг
Габаритные размеры базового блока 448х27х 347 мм 448х185х 337 мм 605х1735х625 мм
Анализ эксплуатируемой аппаратуры частотно-временного обеспечения потребителей показывает, что совершенствование и разработка перспективных технологий в области единого времени целесообразно направить на переоснащение стационарный потребителей объектов Министерства обороны Российской Федерации, использующих телекоммутационное и терминальное оптическое оборудование сетевой синхронизации иностранного производства на перспективные образцы нового поколения для создания единой системы синхронизации систем и средств с использованием волоконно-оптических технологий.
Список литературы
1. Филимонов С. Использование сигналов ГЛОНАСС в системе единого точного времени на сети связи общего пользования // Первая миля. 2011. №6. С.24-28.
2. Рыжков А.В., Каган С.Н., Блинов И.Ю., Насонов А.Ю., Хазов М.Л. Проблемы и пути решения передачи сигналов времени по сети связи общего пользования Российской Федерации. Вестник связи, 2014. № 1. С. 17-21.
3. Тюляков А.Е., Белов Л.Я., Паршин П.Н. Государственная система единого времени и эталонных частот «Цель» в части объектов и средств Министерства обороны Российской Федерации состояние и перспективы развития. Санкт-Петербург, Труды Института прикладной астрономии РАН. Выпуск 44, 2018. С.126-132.
4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (редакция 5.1). М.: РНИИ КП, 2008.
Шимкив Дмитрий Олегович, начальник лаборатории, Ynva 7@yandex.ru, Россия, Знаменск, Научно-испытательный центр
Маслова Оксана Владимировна, научный сотрудник, vida89@yandex.ru, Россия, Знаменск, Научно-испытательный центр
FREQUENCY-TIME PROVISION OF CONSUMERS D. O. Shimkiv, O.V. Maslova
The main equipment of time-frequency support of measuring instruments is considered.
Key words: GLONASS, unified time system, consumer equipment, time-frequency support.
439
Shimkiv Dmitry Olegovich, head of the laboratory, Ynva7@yandex.ru, Russia, Znamensk, Research and Testing Center,
Maslova Oksana Vladimirovna, senior researcher, vida89@yandex. ru, Russia, Znamensk, Research and Testing Center
УДК 621.38
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-440-444
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ НА ПОГРЕШНОСТИ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
А.Э. Соловьев, А.В. Прохорцов, В.А. Смирнов, Н.В. Ивахно
В статье проводится оценка влияния работы основных узлов электронного модуля (активных фильтров, аналогово-цифрового преобразователя) на итоговую погрешность бесплатформенной инер-циальной навигационной системы малогабаритного беспилотного летательного аппарата.
Ключевые слова: бесплатформенная инерциальная навигационная система, электронный модуль, активный фильтр, аналого-цифровой преобразователь, погрешности, математическая модель.
Практически любая бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) малогабаритного беспилотного летательного аппарата (БПЛА) состоит из блока чувствительных элементов (ЧЭ), в состав которого входят, как правило, акселерометры и датчики угловой скорости (ДУС), и электронного модуля, который, в свою очередь, состоит из активных фильтров каждого измерительного канала (осуществляющих усиление сигнала, фильтрацию и сдвиг его уровня для сопряжения с аналого-цифровым преобразователем), аналогово-цифрового преобразователя (АЦП) и микроконтроллера (МК), выполняющий обработку сигналов с ЧЭ (рис.1) [1].
Блок ЧЭ Блок электроники
Блок 1—N Узел активных —N
акселерометров -V фильтров акселерометров -1/
АЦП -1/ МК
Блок —N Узел активных —N
ДУС -V фильтров ДУС —✓
L
. Внешние
Рис.1. Структура БИНС
По каждой измерительной оси БИНС устанавливается минимум по одному акселерометру и ДУСу, аналоговые выходные сигналы которых фильтруются, усиливаются и преобразуются в цифровой код. Влияние погрешностей ЧЭ на итоговую погрешность БИНС с учетом траектории и времени полета БПЛА неплохо изучено [2,3]. Однако погрешности, обусловленные особенностями работы электронного модуля, ранее не учитывались, так как априори считалось, что их влияние на итоговую погрешность БИНС пренебрежимо мало.
Рассмотрим, какие погрешности в работу БИНС могут внести блоки электронного модуля, если время полета БПЛА составит 150 секунд, а температура БИНС за это время повысится на 3°С.
Активный ЯС -фильтр первого порядка можно описать апериодическим звеном:
Т t
dU
f
+ Uf = kf (Ui_ + U 0 + Un),
7 сИ 7 7
где: Ту - постоянная времени фильтра, V у - напряжение на выходе фильтра, Vп - напряжение на входе фильтра; к у - коэффициент усиления фильтра; ио - напряжение смещения нуля, приведенное к
входу; ип - шумовая составляющая сигнала фильтра, приведенная к входу.
Изменение температуры электронного модуля приводит к изменению емкостей конденсаторов и, в значительно меньшей степени, к изменению сопротивления резисторов [3,4]. Как показали расчеты и экспериментальные исследования, при указанном изменении температуры, постоянная времени Ту и,
соответственно, граница полосы пропускания будет меняться. Для активных фильтров, установленных в каналах измерения ускорений (акселерометров), изменение постоянной времени составит
что соответствует изменению полосы пропускания в диапазоне
Tf = (2,46...2,54)• 10"3 сек.
