CC BY
420
УДК 53.087.92 + 62.621.382.2/.3 ЭМУЛЯТОР ГЛОНАСС^8 ПРИЕМНИКА
ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В КАЧЕСТВЕ ИСТОЧНИКА ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ
М.Е. Шкарбалюк, С.В. Пильгаев, А.В. Ларченко, О.М. Лебедь, Ю.В. Федоренко
Полярный геофизический институт Кольский научный центр РАН
Аннотация
Описывается устройство эмулятора ГЛОНАСС/GPS приемника, созданного в ПГИ КНЦ РАН для проведения геофизических исследований. Отклонение времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени (UTC), определяемого по восходящему фронту PPS импульса спутникового навигационного приемника, порядка 15 мкс за 20 часов при использовании термостатированного кварцевого генератора. При использовании рубидиевого генератора отклонение времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени, определяемого по восходящему фронту PPS импульса спутникового навигационного приемника, составляет не более 4 мкс за 20 часов. Для определения и последующего исключения линейного тренда отклонения времени эмулятора от UTC предусмотрена операция синхронизации в начале и конце сеанса измерений. Прибор способен работать с различными типами задающих генераторов и GPS приемников, генерирующих GPRMC строку и PPS импульс. Прибор отличает относительная простота, высокая надежность и низкие требования к обслуживанию.
Ключевые слова:
эмулятор ГЛОНАСС/GPS приемника, геофизические исследования, генерация временных меток.
Введение
При проведении геофизических исследований для получения детальной информации о пространственной структуре электромагнитного поля,
создаваемого естественными или искусственными источниками, возникает необходимость в проведении пространственных измерений комплексных амплитуд сигналов, или, что одно и то же, измерять амплитуды и фазы сигналов. Изучая поля искусственных источников гармонических сигналов, требуется измерять амплитуду и фазу, как источника, так и приемника и определять разность фаз между источником электромагнитного поля и компонентами поля в месте установки измерительной системы. Такие измерения требуют прецизионной синхронизации систем, измеряющих ток в антенне источника и компоненты электромагнитного поля на удалении от источника. В ПГИ КНЦ РАН такие устройства разработаны, созданы и введены в эксплуатацию [1, 2]. Созданная аппаратура позволяет измерять разность фаз между сигналами источника и приемника с точностью порядка ±0.1° на частотах порядка 200 Гц или привязывать время к UTC (Universal Coordinated Time) со среднеквадратичным отклонением менее 1 мкс. Самым простым и экономически выгодным решением для генерации временных меток с такой точностью является приемник глобальной навигационной спутниковой системы GPS или ГЛОНАСС. Для измерений, проводимых при прямой видимости неба этого достаточно, но порой возникает необходимость расположения измерительной аппаратуры в местах, где использование приемника глобальной навигационной системы затруднено или вовсе невозможно, например, на морском дне, в шахте или в густом лесу во время дождя. Для таких случаев созданы и имеются в продаже автономные генераторы временных меток, к примеру, такие, как модуль частоты и времени компании Symmetricom под названием TimeMAX [3], генератор временных меток компании ESE под названием ES-292 [4] или генератор временных меток от компании Masterclock под названием GPS200 [5]. Все они позволяют получать импульсы напряжения с частотой 1 Гц (PPS), восходящий фронт которых синхронизирован с мировым координированным временем, и длительно поддерживать точное время при отключенном спутниковом навигационном приемнике. Однако они обладают недостатками, ограничивающими их применение при геофизических наблюдениях. Во-первых, нужна возможность
выбора задающего генератора по соотношению потребляемая мощность / стабильность. При измерениях с питанием от аккумулятора не всегда требуется высокая точность привязки временных меток к мировому времени, но нужно обеспечить малое потребление, поэтому в этом случае целесообразно выбрать обычный кварцевый генератор, а не рубидиевый стандарт частоты, что затруднительно исполнить при использовании промышленных образцов. Во-вторых, желательно предусмотреть возможность изменения частоты задающего генератора, и, следовательно, коэффициента деления счетчика, например, для использования генератора временных меток для синхронизации АЦП. Такая модификация устройств [3-5] и им подобных просто невозможна. В третьих, при работе в автономном режиме зависимость отклонения временных меток от UTC в основном линейная из-за неточности настройки частоты задающего генератора. Для определения этой зависимости для последующего ее исключения нужно предусмотреть режим, в котором после проведения измерений может быть проведена повторная синхронизация и записана величина накопленной ошибки. Такой режим в перечисленных выше устройствах отсутствует. В четвертых, их стоимость высока, что не всегда приемлемо при проведении полевых измерений.
Необходимость в автономных синхронизаторах возникла при проведении геофизических измерений в ПГИ, в результате которых были выработаны изложенные выше основные требования, предъявляемые к таким приборам. Так как ни одно из имеющихся на рынке устройств не соответствовало этим требованиям, в особенности к обеспечению возможности компромисса между точностью и энергопотреблением и определения величины линейного тренда ошибки, было принято решение о разработке собственного устройства - эмулятора GPS/ГЛОНАСС приемника.
Структурная и принципиальная схемы
Основная задача эмулятора ГЛОНАСС/GPS приемника - генерация PPS импульсов, синхронизированных с UTC, и строки GPRMC, соответствующей стандарту NMEA0183 [6]. Эмулятор должен обладать несколькими режимами работы, начальной синхронизации с спутниковым приемником, автономный режим и режим конечной синхронизации с спутниковым приемником, для определения времени ухода эмулятора по окончанию регистрации для последующего учета линейного тренда частоты задающего генератора и коррекции временных меток.
Структурная схема разработанного устройства приведена на рис. 1.
Задающий генератор
J .
Синхронизатор Блок счетчиков PPS ■ ■ ► GPRMC
' PPS . г
Приемник GPS GPRMC Микроконтроллер
Рис. 1. Структурная схема эмулятора GPS приемника
На схеме обозначены основные блоки эмулятора. В качестве задающего генератора в устройстве может использоваться любой генератор сигналов, имеющий выходную частоту 10 МГц и совместимый по уровню сигнала с ТТЛ микросхемами. Для получения PPS импульсов используется блок счетчиков, выполняющий функцию делителя частоты с 10 МГц до 1 Гц. Синхронизация фронтов PPS импульсов эмулятора с фронтами PPS импульсов спутникового навигационного приемника происходит следующим образом - по восходящему фронту PPS импульса от ГЛОНАСС/GPS приемника синхронизатор вырабатывает управляющий импульс сброса для блока счетчиков. Каждый раз по приходу импульса сброса блок счетчиков сбрасывается в ноль и начинает делить поступающую на него частоту. Отсюда следует, что в режиме синхронизации при подключенном приемнике спутниковой навигационной системы синхронизация фронта PPS импульса от блока счетчиков с фронтом импульса PPS спутникового приемника происходит каждую секунду. После отключения ГЛОНАСС/GPS приемника импульсы сброса не вырабатываются, и блок счетчиков делит поступающую на него частоту, эмулируя импульс PPS при переполнении последнего в линейке счетчика U7 (рис. 2).
Рис. 2. Принципиальная электрическая схема эмулятора ОР8/ГЛОНАСС приемника
Микроконтроллер предназначен для управления всем устройством, обработки GPRMC строк поступающих с спутникового приемника и генерации, собственных GPRMC строк.
Устройство имеет три режима работы:
• режим начальной синхронизации. В этом режиме происходит первичная синхронизация эмулятора GPS с приемником GPS/ГЛОНАСС для дальнейшей работы устройства в автономном режиме;
• автономный режим. Этот режим выбирается, если спутниковый сигнал отсутствует, а сигналы GPS/ГЛОНАСС приемника эмулируются программой;
• режим конечной синхронизации. В этом режиме происходит повторная синхронизация эмулятора GPS/ГЛОНАСС с приемником GPS/ГЛОНАСС для определения времени ухода эмулятора по окончанию регистрации для последующего учета линейного тренда частоты задающего генератора и коррекции, временных меток.
Эмулятор переключается между режимами работы автоматически при подключении и отключении приемника GPS/ГЛОНАСС.
В режиме начальной и конечной синхронизации эмулятор GPS/ГЛОНАСС принимает строку соответствующую стандарту NMEA0183 [6] с GPS/ГЛОНАСС приемника, содержащую текущее время, дату и координаты приемника. Затем, после перехода в автономный режим, эмулятор спутникового навигационного приемника полностью заменяет собой GPS/ГЛОНАСС приемник.
Принципиальная электрическая схема эмулятора GPS/ГЛОНАСС приведена на рис. 4. Блок синхронизации выполнен на двух D-триггерах КР1533ТМ2 (1, 2). Блок синхронизации позволяет достигнуть точности синхронизации фронтов импульсов PPS эмулятора GPS/ГЛОНАСС и приемника GPS/ГЛОНАСС с абсолютной ошибкой не более 0.3 мкс, что соизмеримо с точностью самих приемников спутниковых навигационных систем.
Блок счетчиков выполнен на семи синхронно подключенных микросхемах 4-разрядных синхронных десятичных счетчиках с асинхронным сбросом и синхронной загрузкой (U1-U7 на рис. 4).
Генерацию GPRMC строки выполняет микроконтроллер PIC18F452 [7]. В режиме синхронизации на вход микроконтроллера по интерфейсу RS-232 поступает GPRMC строка с GPS/ГЛОНАСС приемника, в которой содержится текущее всемирное координированное время и дата. Микроконтроллер проверяет достоверность данных содержащихся в строке GPRMC по символу “А”/”У” (позиция символов описана в стандарте NMEA0183 [6]). Если в течение 10 секунд микроконтроллер получил верные строки (символ <А.» в строке GPRMC), то он сам начинает генерировать GPRMC строку с текущим временем и датой по приходу PPS импульса от блока счетчиков.
Если GPS/ГЛОНАСС приемник был ранее подключен и эмулятор работал более 1 сек в автономном режиме, то при следующем подключении GPS/ГЛОНАСС приемника будет измерена ошибка, накопленная эмулятором за время автономной работы, и произведена повторная синхронизация фронтов PPS импульсов приемника спутниковой навигационной системы и эмулятора GPS/ГЛОНАСС приемника. Готовая GPRMC строка передается на выход эмулятора по интерфейсу RS-232.
Результаты испытаний и выводы
Для определения отклонения времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени, определяемого по восходящему фронту PPS импульса вырабатываемого приемником спутниковой навигационной системы, и выбора оптимального типа задающего генератора были проведены лабораторные испытания устройства с использованием двух типов задающих генераторов - кварцевого термостатированного генератора марки OCXO8663 компании Oscüloquartz [8] и рубидиевого генератора компании Ball-Efratom.
На рис. 3 приведены результаты испытаний эмулятора приемников спутниковых навигационных систем GPS/ГЛОНАСС с использованием кварцевого термостатированного генератора марки OCXO8663.
На рис. 3(а) видно, что отклонение времени, поддерживаемого эмулятором от истинного мирового времени, определяемого по восходящему фронту PPS импульса GPS/ГЛОНАСС приемника, составляет не более 9 мс за 20 часов. Линейное поведение ошибки следования PPS импульсов эмулятора GPS/ГЛОНАСС приемника позволяет вычислить и исключить линейный тренд, получив после этого более высокую точность привязки временных меток к UTC. На рис. 3(б) видно, что после исключения линейного тренда отклонение времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени, определяемого по восходящему фронту PPS импульса вырабатываемого приемником спутниковой навигационной системы, составляет не более 15 мкс за 20 часов, что позволяет, например, измерять фазу сигнала на частоте 240 Гц с точностью порядка 0.3°.
10
0.02
о.
о
э
о
Время от начала эксперимента, часы
« 0.015
о.
о
0.01
5 0.005
э
о
-0.005
0 Ю 20
Время от начала эксперимента, часы
Рис. 3. Результаты эксперимента с использованием кварцевого термостатированного генератора: а - с линейным трендом, б - без тренда
Результаты испытаний эмулятора с использованием рубидиевого генератора в качестве задающего приведены на рис. 4.
0.02
О
£
СО
□_
° 0.015
«J
О
0
Н
К
1 0.01 <*)
го
LO
| 0.005
0 10 20 0 Ю 20
Время от начала эксперимента, часы Время от начапа эксперимента; чась|
Рис. 4. Результаты эксперимента с использованием рубидиевого генератора: а - с линейным
трендом, б - без тренда
На рис. 4(а) видно, что отклонение времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени, определяемого по восходящему фронту PPS импульса GPS/ГЛОНАСС приемника, составляет не более 15 мкс за 20 часов. На рис. 4(б) видно, что после исключения линейного тренда отклонение времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени, определяемого по восходящему фронту PPS импульса GPS/ГЛОНАСС приемника, составляет не более 4 мкс за 20 часов, что позволяет измерить разность фаз сигнала на частоте 240 Гц с точностью порядка 0.07°.
В результате проведенных экспериментов выяснено, что, если необходимо достичь высокой точности генерации PPS импульсов необходимо использовать рубидиевый генератор. Оптимальным вариантом по соотношению энергопотребление/точность, является термостатированный кварцевый генератор.
Используемые в эмуляторе радиоэлементы выбраны, исходя из требований минимального энергопотребления и минимальной задержки сигнала. Параметры прибора: напряжение питания 5В, потребляемый ток порядка 200 мА (без GPS/ГЛОНАСС приемника и задающего генератора), диапазон рабочих температур 0 до +50 С° возможно использование любых типов GPS/ГЛОНАСС приемников, позволяющих получить PPS импульс и GPRMC строку по интерфейсу RS-232 и любой генератор сигналов, имеющий выходную частоту 10 МГц и совместимый по уровню сигнала с ТТЛ микросхемами. Отклонение времени, поддерживаемого эмулятором, от истинного мирового времени
(UTC), определяемого по восходящему фронту PPS импульса спутникового навигационного приемника, порядка 15 мкс за сутки при использовании термостатированного кварцевого генератора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пильгаев С.В, Ахметов О.И., Филатов М.В, Федоренко Ю.В. Универсальный синхронизатор // Приборы и техника эксперимента. 2008. № 3. С. 175-176. 2. Федоренко Ю.В., Пильгаев С.В, Филатов М.В, Ахметов О.И. Прецизионный четырехканальный 22-разрядный аналого-цифровой преобразователь на основе AD7716 // Приборы и техника эксперимента, 2009, № 4, С. 179-181. 3. Описание модуля TimeMAX компании Symmetricom. Режим доступа: http://www.symmetricom.com/products/gps-solutions/embedded-subsystems/TimeMAX/ 4. Описание модуля ESE-292 компании ESE. Режим доступа: http://www.ese-web.com/292.htm 5. Описание модуля GPS-200 компании Masterclock. Режим доступа: http://www.masterclock.com/products/gps200.php 6. Описание протокола NMEA-0183
http://www.nmea.org/Assets/100108_nmea_0183_sentences_not_recommended_for_new_designs. pdf 7. Описание
микроконтроллера PIC18F452 компании Microchip. Режим доступа:
http://www.microchip.com/wwwproducts/devices.aspx?ddocname=en010296 8. Описание кварцевого термостатированного генератора OCXO 8863 компании OSCILLQUARTZ. Режим доступа: http://www.oscilloquartz.com/file/pdf/8863_da_screen.pdf
Сведения об авторах
Шкарбалюк Максим Евгеньевич - стажер исследователь, e-mail: chemaxa@gmail.com Пильгаев Сергей Васильевич - м.н.с, e-mail: pilgaev@pgia.ru
Ларченко Алексей Викторович - стажер исследователь, e-mail: alexey.larchenko@gmail.com Лебедь Ольга Михайловна - стажер исследователь, e-mail: olgamihsh@yandex.ru Федоренко Юрий Валентинович - к.ф.-м.н., доц., e-mail: Yury.Fedorenko@gmail.com
