ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ АНТЕННОГО МОДУЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ДЛИННОВОЛНОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)

УДК 621.396

А. П. Грунин, С. В. Сай

ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ АНТЕННОГО МОДУЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ДЛИННОВОЛНОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

Грунин А. П. - ведущий инженер, Дальневосточный филиал ФГУП «ВНИИФТРИ», e-mail: lexx188@mail.ru; Сай С.В. - д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой «Вычислительной техники», e-mail: 000493@pnu.edu.ru (ТОГУ)

В статье описаны импульсно-фазовые радионавигационные системы, используемые для выполнения задачи резервирования глобальных навигационных спутниковых систем. Приведены результаты долговременной работы, разработанного программно-аппаратного комплекса для контроля положения шкал времени передающих станций Дальневосточного региона в составе вторичного эталона времени и частоты ВЭТ1-7. Проведен анализ результатов измерений, позволивший выявить зависимость задержки распространения сигнала через предварительный антенный усилитель, который входит в состав антенного модуля, от температуры окружающего воздуха в точке приема. Подробно описана принципиальная электрическая схема блока термостабилизации антенного модуля, выполненная на базе операционного усилителя с отрицательной обратной связью и силового транзистора с ограничением мощности. Проведено сравнение измерений положения шкалы времени станции РНС-В(А) относительно шкалы координированного времени иТС(Кт) до оснащения антенного модуля блоком термостабилизации и после. Произведен количественный анализ эффективности применения блока термостабилизации. В результате получено, что модернизация позволяет значительно снизить случайную погрешность сравнения шкал времени удаленных станций с вторичным эталоном времени и частоты, что позволяет более оперативно обнаруживать аномальные смещения шкал времени передающих станций.

Ключевые слова: радионавигация, время, частота, задержка, антенна, стабилизация, температура, погрешность.

© Грунин А. П., Сай С. В., 2022

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)

Введение

Импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС), работающие в диапазоне длинных волн, используются для выполнения задачи резервирования глобальных навигационных спутниковых систем [1]. Эти системы используются как для навигационных задач, так и для задач передачи частотно-временной информации потребителям. Основными радионавигационными системами ДВ диапазона в настоящее время являются система Loran-C, российская система «Чайка» и эволюция Loran-C система eLoran. Согласно [2], одним из приоритетных направлений развития национальных систем навига-ционно-временного (координатно-временного) обеспечения России является модернизация и развитие ИФРНС до уровня полноценной дублирующей (дополняющей) радионавигационной системы. Передающие станции ИФРНС должны быть с высокой точностью синхронизированы с международной шкалой времени иТС [3]. Задержка шкалы ИФРНС относительно произвольной секунды иТС определяется алгоритмом, описанным в [4]. В Дальневосточном регионе действует цепочка радионавигационных станций РНС-В. В Дальневосточном филиале ФГУП «ВНИИФТРИ» в составе вторичного эталона времени и частоты ВЭТ1-7 успешно функционирует программно-аппаратный комплекс для контроля положения шкал времени предающих станций [5].

Результаты долговременной работы комплекса

Комплекс позволяет оперативно обнаруживать аномальные смещения шкалы времени станции РНС-В(А), являющейся ведущей в цепочке РНС-В. Комплекс проводит непрерывные измерения смещения положения «особой» точки одиночного импульса станции РНС-В(А) относительно шкалы координированного времени иТС(Кт). На рис. 1 представлен график измеренных смещений на промежутке 4,3 года. Из рис. 1 видно, что амплитуда смещения времени составляет приблизительно 1,5 мкс. Столь длительные эксперименты позволили выявить сезонные тенденции изменения скорости распространения радиоволн.

ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ АНТЕННОГО МОДУЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ДЛИННОВОЛНОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)

-2

-3

-4

12.12.2015

03.06.2021

25.04.2017 07.09.2018 20.01.2020 -РНС-В(А) - иТС(Кт)

Рис. 1. График отклонения шкалы станции РНС-В(А) от шкалы UTC(Km) на длительном периоде наблюдений

Одной из потенциальный возможностей использования аппаратно -программного комплекса для приема сигналов импульсно-фазовых радионавигационных систем является его применение в качестве составной части Государственной системы единого времени и эталонных частот «Цель». Эта система предназначена для передачи сигналов от Государственного эталона единиц времени и частоты потребителям в сфере обороны и безопасности, экономики и науки [6]. Такая возможность достигается путем добавления в схему генератора, управляемого напряжением (ГУН). ГУН применяется в системе автоматической подстройки частоты, основанной на слежении за фазой несущей частоты импульса ИФРНС. Уменьшение степени влияния различных факторов на смещение фазы несущей частоты ИФРНС позволит улучшить показатели нестабильности формируемых сигналов частоты для потребителей.

Анализ результатов измерений приемника сигналов ИФРНС позволил выявить температурную зависимость времени распространения сигнала через предварительный антенный усилитель, который входит в состав антенного модуля производства АО «РИРВ». График измерения положения шкалы времени станции РНС-В(А) относительно шкалы координированного времени иТС(Кт), совмещенный с графиком измерения температуры окружающего воздуха приведен на рис. 2. График температуры отмасшта-бирован.

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)

Рис. 2. График отклонения шкалы станции РНС-В(А) от шкалы UTC(Km) в сравнении с температурой окружающего воздуха

Блок термостабилизации

Для устранения влияния температуры на измеряемые величины было принято решение о добавлении в антенный блок схемы термостабилизации. Электрическая схема модуля поддержания температуры представлена на рис. 3.

Рис. 3. Электрическая схема модуля термостабилизации

Резисторы Я29, R31 и Ю0 на неинвертирующем входе операционного усилителя (ОУ) DA16 задают необходимый уровень поддержания температуры. Термосопротивление Я28 вместе с резистором Я27 на инвертирующем входе операционного усилителя DA16 определяют фактический уровень температуры антенного блока. Цепь отрицательной обратной связи С104 и R32

ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ АНТЕННОГО МОДУЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ДЛИННОВОЛНОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)

обеспечивает защиту схемы от возбуждения. Выход ОУ управляет нагревательной схемой на транзисторах УТ1 и УТ2, где УТ2 выполняет роль нагревательного элемента, а УТ1 ограничивает максимальную мощность УТ2.

Анализ эффективности термостабилизации

Модуль термостабилизации, построенный по представленной схеме был встроен в антенный блок после чего были продолжены измерения. На рис. 4 представлен график измерения положения шкалы времени станции РНС-В(А) относительно шкалы координированного времени иТС(Кт), совмещенный с графиком измерения температуры окружающего воздуха после модернизации антенного блока. График температуры отмасштабирован. Из графика видно, что температурная зависимость времени распространения сигнала через предварительный антенный усилитель существенно снизилась.

Для количественной оценки эффективности применения термостабилизации антенного усилителя был произведен расчет среднеквадратического отклонения (СКО) измерений до модернизации антенного блока и после. До модернизации СКО составляло 113 нс, а после 54 нс.

Также эффективность применения термостабилизации антенного блока может быть оценена путем сравнения графиков (рис. 5) вариации Аллана [7] при сличении шкалы времени радиостанции РНС-В(А) и шкалы времени вторичного эталона иТС(Кт).

Из графиков видно, что после модернизации антенного блока относительная нестабильность частоты при сравнении РНС-В(А) - иТС(Кт) стала меньше на всех значениях т. Среднее уменьшение нестабильности на всех т составило 46%.

-2,5

-РНС-В(А) - иТС(Кт) -Температура

-3 ' —*— —'—

29.01.16 0:00 06.02.16 0:00 14.02.16 0:00 22.02.16 0:00 01.03.16 0:00

Рис. 4. График отклонения шкалы станции РНС-В(А) от шкалы UTC(Km) в сравнении с температурой окружающего воздуха после модернизации антенного блока

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022. № 1 (64)

| модернизации -После модернизации

Рис. 5. Графики вариации Аллана

Заключение

В статье произведен анализ результатов измерений положения шкалы времени станции РНС-В(А) относительно шкалы времени иТС(Кт) вторичного эталона. Анализ позволил выявить зависимость задержки распространения сигнала через предварительный антенный усилитель от температуры окружающего воздуха в точке приема. Антенный усилитель был оснащён блоком термостабилизации. После модернизации антенного усилителя СКО измерений положения шкал времени было снижено в два раза. Относительная нестабильность частоты при сравнении шкал РНС-В(А) и иТС(Кт) уменьшилась в среднем на 46 % на всех интервалах наблюдения. Описанная в статье модернизация позволила значительно снизить случайную погрешность сравнения шкал времени удаленных станций с шкалой времени вторичного эталона ВЭТ1-7, что позволяет более оперативно обнаруживать аномальные смещения шкал времени передающих станций.

Библиографические ссылки

1. Offermans G., Bartlett S., Schue C. Providing a Resilient Timing and UTC Service Using eLoran in the United States: Resilient timing using eLoran // Navigation - Journal of The Institute of Navigation. 2017. DOI:10.1002/navi.197.

ТЕРМОСТАБИЛИЗАЦИЯ АНТЕННОГО МОДУЛЯ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЯ ПОЛОЖЕНИЯ ШКАЛ ВРЕМЕНИ ДЛИННОВОЛНОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ

2. Радионавигационный план Российской Федерации // Министерство промышленности и торговли Российской Федерации, 2019.

3. Specification of the transmitted loran-c signal // U.S. Department of Transportation United States Coast Guard, 1994.

4. Roland W. F. Loran-C Chain and UTC Synchronization // PVT Associates. - December, 1998.

5. Грунин А.П. Разработка приемника импульсно-фазовых радионавигационных систем нового поколения // Молодые ученые - Хабаровскому краю : материалы XXI краевого конкурса молодых ученых и аспирантов (Хабаровск, 15-18 янв. 2019 г.). Хабаровск : Изд-во ТОГУ, 2019. С. 134-138.

6. Направления совершенствования Государственной системы единого времени и эталонных частот «Цель» с учетом ее модернизации / Тюляков А.Е., Белов Л.Я., Дружин В.Е., Кошелев В.К., Филиппов Д.В. // Радионавигация и время. 2019.

7. Allan D.W. Statistics of atomic frequency standards // Proc. IEEE. 1966. Т. 54, № 2. P. 221-230.

Title: Thermal Stabilization of the Antenna Module to Reduce the Measurement Errors of the Long-Wave Radio Navigation Stations Time Scales

Authors' affiliation:

Grunin A. P. - Far Eastern Branch of Russian Metrological Institute of Technical Physics and Radio Engineering Measurements, Khabarovsk, Russian Federation Sai S. V. - Pacific National University, Khabarovsk, Russian Federation

Abstract: The authors of the article describe pulse-phase radio navigation systems used to perform the task of reserving global navigation satellite systems. There are presented the results of long-term work of the developed software and hardware complex for monitoring the position of the time scales of the transmitting stations in the Far East region as a part of the secondary standard of time and frequency VET1-7. An analysis of the measurement results is carried out, which made it possible to reveal the dependence of the signal propagation delay through the preliminary antenna amplifier, which is a part of the antenna module, on the ambient air temperature at the reception point. The circuit diagram of the thermal stabilization unit of the antenna module, made on the basis of an operational amplifier with neg-

ВЕСТНИК ТОГУ. 2022 № 1 (64)

BECTHHK Tory. 2022. № 1 (64)

ative feedback and a power-limiting power transistor, is described in detail. There are compared the measurements of the position of the time scale of the RNS-V(A) station relative to the coordinated time scale UTC(Km) before and after equipping the antenna module with a thermal stabilization unit. A quantitative analysis of the effectiveness of the use of the thermal stabilization unit is carried out. As a result, it has been found that the modernization could significantly reduce the random error in comparing the time scales of remote stations with the secondary standard of time and frequency, which makes it possible to more quickly detect anomalous shifts in the time scales of transmitting stations.

Keywords: radio navigation, time, frequency, delay, antenna, stabilization, temperature, error.