2 Государственные службы времени и частоты

В развитых странах мира проблеме постоянного совершенствования научно-технической базы и организационной структуры систем единства измерений времени и частоты уделяется постоянное внимание. Например, в США вопросами время-частотного обеспечения занимается Национальный институт стандартов и технологий (NIST) и Военно-морская обсерватория (USNO), в которой находится государственный эталон времени и частоты. Во Франции эталон времени и частоты размещен в Парижской обсерватории [6].

Среди зарубежных служб времени ведущее место занимает служба единого времени США [6]. Координированная шкала времени этой службы - UTC (USNO). Сигналы, излучаемые передающими станциями службы времени США, обеспечивают потребителям возможность привязки собственных шкал времени (ШВ) друг к другу (с помощью бюллетеней USNO или автоматизированной службы данных) и к ШВ ведущих часов USNO. В качестве передающих станций службы времени США используются как специальные средства, так и системы более широкого применения, в сигналы которых в той или иной форме входит частотно-временная информация. В состав передающих станций входят: специальные КВ и ДВ радиостанции службы времени; СДВ радиостанции связи ВМС США; станции ДВ РНС LORAN-C и СДВ РНС OMEGA; ТВ передатчики; спутники метеорологической системы GOES, СРНС TRANSIT и GPS- NAVSTAR. С помощью передающих станций и транспортируемых квантовых часов осуществляется привязка ШВ потребителей друг к другу и к ШВ ведущих часов USNO.

Основой для создания Государственной службы единого времени и эталонных частот (ГСВЧ) Украины явились ряд организаций и предприятий Украины, входящих в прошлом в состав Государственной системы единого времени и эталонных частот (ГСЕВЭЧ) СССР [7].

ГСЕВЭЧ СССР развивалась на основе функционально разделенных подсистем (подсистемы Государственного стандарта и подсистемы средств Министерства обороны), причем первая в основном стимулировала развитие метрологической службы времени и частоты, а вторая обеспечивала потребности технических и радиотехнических комплексов в Министерстве обороны.

Иерархическая структура ГСЕВЭЧ СССР [7] показана на рис. 6.

Функционально система состояла из главного метрологического центра (ГМЦ), оборудованного Государственным эталоном времени и частоты (ГЭВЧ) с относительной погрешностью воспроизведения действительного значения частоты (ДЗЧ) 110^-14 за месяц (среднеквадратичная вариация), ряда вторичных эталонов и подсистемы контроля и управления (ПКУ) для обеспечения единства воспроизводимых и передаваемых в системе UTC шкал времени и размеров единиц времени и частоты, управления передающими средствами, контроля частотно-временного поля системы.

Ведущими органами системы являлись ГМЦ (п. Менделеево Московской области) и автоматизированный центр управления системой (АЦУС) в п. Голицино Московской области с эталоном времени и частоты, среднеквадратичная погрешность (СКП) совмещения ДЗЧ которого с ГЭВЧ < 110^-13, а СКП поддержания шкалы времени (ШВ) относительно ШВ ГЭВЧ менее 100 нс. Кроме этого, в состав системы входили эталон-копия (г. Иркутск) и вторичные эталоны (гг. Новосибирск, Петропавловск-Камчатский, Хабаровск, Харьков, Ужгород).

ГМЦ и вторичные эталоны были оборудованы разработанными в ХНУРЭ средствами радиометеорной синхронизации, что позволяло производить регулярные сличения и поддерживать погрешность синхронизации ШВ эталонов на уровне 20-40 нс [8, 13-16].

Как средство синхронизации ШВ с ГСЕВЭЧ использовалась система спутниковой навигации ГЛОНАСС, входящая функционально в состав системы. Для этого осуществлялась синхронизация ШВ АЦУС и центрального синхронизатора ГЛОНАСС со СКП 20 нс [7].

Для синхронизации крупных радиотехнических комплексов применялась аппаратура потребителей четырех классов точности (приемные пункты), позволяющая формировать свою ШВ, синхрочастоты и коды времени, имеющая в своем составе средства сопряжения с аппаратурой потребителя по нормализованным интерфейсным каналам. Аппаратура приемных пунктов состояла из квантовых стандартов частоты, средств привязки шкал времени по сигналам, излучаемым различными средствами ГСЕВЭЧ и аппаратура функционального контроля [7].

После распада СССР большая часть технических средств ГСЕВЭЧ осталась в России. В связи с этим одной из первоочередных актуальных задач для Украины встала задача организации частотно-временного обеспечения в стране. Для ее решения была создана Государственная комиссия единого времени и эталонных частот Украины (1993 г.) и разработана Государственная программа создания и развития ГСВЧ Украины на период 1995-1999 гг. (программа продлялась до 2001 г.) [8, 10].

Выполнение указанной выше программы позволило разработать структуру ГСВЧ Украины (рис. 7), которая бы учитывала особенности эталонной базы и время-частотного обеспечения в Украине, а также возможности разработки целого ряда технических средств и комплексов на базе научно-технического потенциала Украины.

Основными задачами ГСВЧ Украины являются [8]:

1. воспроизведение и хранение единиц времени и частоты с наивысшей точностью;

2. воспроизведение и хранение национальной шкалы времени UTC(UA) и хранение ее со шкалой Всемирного координированного времени UTC;

3. передача сигналов времени и частоты по телевидению, сети проводного вещания, радио, метеорным и другим каналам связи, а также обеспечение потребителей этих сигналов необходимой информацией справочного характера;

4. осуществление контроля точности передаваемых сигналов времени и частоты, в том числе техническими средствами негосударственных организаций, обеспечение соответствия их характеристик установленным нормам и доведение этой информации до потребителей;

5. определение всемирного времени UT, параметров вращения Земли и обеспечение потребителей соответствующей информацией;

6. анализ метрологического обеспечения измерений времени и частоты и постоянное его усовершенствование;

7. разработка и внедрение нормативных документов в области измерений времени и частоты;

8. проведение научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ с целью повышения точности воспроизведения и хранения единиц времени и частоты и шкал времени, передачи сигналов времени и частоты, создания новых средств измерительной техники и др.;

9. научно-методическое руководство службами времени предприятий и организаций;

10. осуществление международного сотрудничества в области измерения времени и частоты.

Основой эталонной базы ГСВЧ Украины является утвержденный в 1997г. государственный первичный эталон времени и частоты, который создан в ХГНИИМ [9, 11].

Государственный первичный эталон времени и частоты Украины по своему составу и техническим характеристикам соответствует мировому уровню, входя в состав восьми лучших эталонов. Структурная схема эталона представлена на рис. 8.

Эталон имеет следующий состав [11]:

а) аппаратура воспроизведения и хранения единиц времени и частоты, состоящая из водородных стандартов Ч1-80, Ч1-76, Ч1-70М;

б) аппаратура хранения шкалы времени и эталонных частот, состоящая из систем:

1. формирования рабочей шкалы времени (автоматический коммутатор сигналов водородных генераторов, устройство синхронизации кварцевого генератора, синхронометры Ч7-15 и Ч7-37;

2. формирования эталонных частот (синтезатор частоты Ч6‑31, синтезатора частоты в диапазоне от 1 до 18 ГГц, синхронизированных генераторов СВЧ-1 (72,338 ГГц), СВЧ-2 (43,5 Ггц) и СВЧ-3 (48,7 ГГц);

3. усиления и размножения эталонных сигналов частоты и времени (блоки буферных усилителей);

в) аппаратура внутренних сличений, которая включает:

1. блоки фазовых компараторов;

2. частотные компараторы Ч7-12 и Ч7-39;

3. автоматизированную измерительную систему (коммутаторы сигналов, синхронометр Ч7-37, частотомеры Ч3-65 и Ч3-64, ПЭВМ типа IBM PC;

4. систему сравнения частот (частотный и фазовый компараторы, блок интерфейса, частотомеры Ч3-64 и Ч3-54, , ПЭВМ типа IBM PC;

5. измеритель частотных характеристик сигналов;

г) аппаратура внешних сличений в составе:

1. аппаратуры сличения эталонов с помощью сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС и GPS;

2. радиометеорной аппаратуры сличения "Метка-6М";

3. аппаратуру сличения эталонов по каналам телевидения;

д) аппаратура жизнеобеспечения эталона (системы резервирования электропитания, кондиционирования и термостатирования помещений, контроля параметров среды).

Метрологические характеристики эталона [9, 11]:

а) диапазон значений интервалов времени, которые воспроизводятся эталоном, составляет от 1·10^-10 до 1·10⁸ с, диапазон значений частот от 1 до 7·10¹⁰ Гц.

б) относительная СКП воспроизведения единиц не превышает 5·10^-14 при 20 независимых наблюдениях.

в) не исключенная систематическая погрешность не превышает 1·10^-13.

г) нестабильность эталона на интервалах измерений от 1000 с до 1 суток не превышает 2·10^-14.

д) допустимое значение сдвига национальной шкалы координированного времени, воспроизводимой эталоном, и Международной шкалы координированного времени составляет ±2 мкс.

В состав эталонной базы ГСВЧ Украины также включены: рабочий эталон времени и частоты филиала ГНИИ "Система" (г. Ужгород). который входил в состав ГСЕВЭЧ СССР, и рабочий эталон времени и частоты УкрЦСМ (г. Киев). По составу и точности рабочие эталоны уступают государственному эталону (относительные СКП рабочих эталонов в Ужгороде и Киеве составляют соответственно 2·10^-13 и 4·10^-13). Оба рабочих эталона оснащены радиометеорной аппаратурой сличения.

Государственный первичный эталон и рабочие эталоны удачно размещены по территории Украины (запад, центр, восход) с точки зрения обеспечения единства измерений времени и частоты в пределах государства.

При разработке средств передачи частотно–временной информации в ГСВЧ Украины учтено, что собственных специализированных радиостанций и космических радионавигационных систем Украина не имеет и в ближайшее время иметь не будет. Поэтому для большинства потребителей наиболее пригодным средством передачи частотно–временной информации выбрана система телевидения (канал УТ–1). Для потребителей высокоточной частотно–временной информации (погрешность синхронизации менее 0,1 мкс) предлагается использовать метеорную аппаратуру синхронизации, разработчиком которой является ХНУРЭ.

В структуре ГСВЧ предусмотрены средства контроля информационных полей радиостанций и радионавигационных систем других стран (России и США), а также структуры, которые бы информировали потребителей про параметры частотно-временной информации отечественных и зарубежных источников.

3 Современные системы, основанные на синхронизации времени и частоты

3.1 Глобальные спутниковые радионавигационные системы

В настоящее время ведущую роль играют две глобальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС), основанные на синхронизации квантовых бортовых генераторов, – GPS (Global Positioning System), известная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging), и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) [43–46].

В СРНС GPS и ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой  20000 км над поверхностью Земли. Благодаря использованию квантовых стандартов частоты на борту НКА в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА. В аппаратуре потребителя (АП) в сеансе навигации принимаются радиосигналы не менее чем от четырех “радиовидимых” НКА и используются для измерения трех разностей дальностей и трех разностей радиальных скоростей объекта относительно четырех НКА. Результаты измерений и эфемеридная информация, принятая от каждого НКА, позволяют определить (уточнить) три координаты и три составляющие вектора скорости подвижного объекта и определить смещение шкалы времени (ШВ) объекта относительно ШВ системы. В СРНС число потребителей не ограничивается, поскольку НАП не передает радиосигналы на НКА, а только принимает их от НКА (пассивная автономная навигация).

СРНС GPS и ГЛОНАСС наряду с основной функцией (глобальная автономная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяют проводить:

1. локальную высокоточную навигацию наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций;

2. высокоточную взаимную геодезическую "привязку" удаленных наземных объектов;

3. взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах [47–52];

4. неоперативную автономную навигацию среднеорбитальных космических объектов;

5. определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.

СРНС GPS и ГЛОНАСС включают в себя три сегмента: орбитальную группировку (ОГ) НКА; наземный комплекс управления (НКУ) ОГ НКА; АП.

Принципы построения СРНС GPS и ГЛОНАСС в общих чертах идентичны, но отличаются техническим выполнением подсистем. Основными достоинствами навигационных систем GPS и ГЛОНАСС являются глобальность обслуживания, высокая точность и непрерывность определения координат и скорости движения объекта. Кроме того, обе системы обладают возможностями повышения точности и надежности навигационных измерений в результате применения дифференциального режима.

Система GPS была разработана по заказу МО США, а космические аппараты (НКА) изготовила компания Rockwell International. Первая штатная ОГ системы GPS (24 НКА Block II) разворачивалась с 1989 по 1994 г. Окончательный ввод GPS в эксплуатацию состоялся в 1995 г. Система используется во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач. В планы модернизации системы GPS входят введение новых диапазонов частот и более совершенных сигналов, повышение мощности, увеличение числа НКА (до30-36).

Российская система ГЛОНАСС разрабатывалась по заказу МО России, но сейчас применяется для предоставления навигационных услуг различным категориям потребителей без каких-либо ограничений. Полное развертывание системы ГЛОНАСС было завершено к 1996 г. После 2000 г. намечено восполнение системы НКА нового поколения с более стабильными бортовыми стандартами (СКО не хуже 10^-13) и двухкомпонентными сигналами (узкополосным и широкополосным) в обоих диапазонах частот 1600 МГц и 1250 МГц.

Все спутники GPS/ГЛОНАСС являются автономными. Параметры их орбит периодически контролируются сетью наземных станций слежения, с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки) вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения НКА от расчетных траекторий движения и определяется собственное время бортовых часов. Наземные станции также контролируют исправность навигационной аппаратуры, установленной на борту НКА. Для обнаружения отказов аппаратуры требуется, как минимум, несколько часов.

Основные характеристики СРНС GPS и ГЛОНАСС приведены в табл. 3.

Каждый GPS-спутник излучает на двух частотах (L1 и L2) специальный навигационный сигнал в виде фазоманипулированной псевдослучайной последовательности. В сигнале зашифровываются два вида кода. Один из них - код С/А (coarse/acquisition или clear/acquisition) - доступен широкому кругу гражданских потребителей. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому называется "грубым" кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью кода Голда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц.

Код P (precision code) обеспечивает более точное вычисление координат, но пользоваться им способны не все; доступ к нему ограничивается провайдером услуг GPS. В основном P-код предоставляется военным и федеральным службам США. Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота – 10,23 Мгц.

Таблица 3 – Основные характеристики СРНС GPS и ГЛОНАСС

Показатель	GPS	ГЛОНАСС
Число НКА	24	24 (штатно) 8 (на 10.02.2000)
Число орбитальных плоскостей	6	3 (штатно) 1 (на 10.02.2000)
Число НКА в каждой плоскости	4	8
Высота орбиты, км	20 000	19 100
Наклонение орбиты, °	55	64,8
Период обращения НКА, ч	12	11,26
Масса НКА, кг	1055	Н/д
Мощность солнечных батарей, Вт	450	Н/д
Срок эксплуатации, лет	7,5	2-3
Рабочие частоты, МГц	L1=1575,42; L2=12275,6	1602,5625-1615,5 1246,4375-1256,5
ЭИИМ, дБВт	Н/д	24-27
Мощность передатчика, Вт	50 (L1); 8 (L2)	Н/д
Поляризация	Правосторонняя	Правосторонняя
Погрешность определения местоположения, м	100 – в плане, 160 – по высоте (C/A-код); 20 – в плане, 30 – по высоте 16 (P-код)	30...60 – в плане, 50...100 – по высоте (узкополосный сигнал 1600 МГц)
Погрешность определения скорости движения, м/c	10 (C/A-код); 0,1 (P код)	0,2-0,9
Погрешность определения времени	280...340 нс (C/A-код); 50...200 нc (P-код)	1 мкс
Надежность навигационных определений, %	95	Н/д

Обозначения в таблице: Н/д – нет данных; ЭИИМ – эквивалентная изотропно излучаемая мощность.

Кроме этих кодов в сигнале GPS может присутствовать так называемый Y-код, являющийся шифрованной версией P-кода.

Кроме кодов С/А и P навигационный спутник регулярно передает специальное сообщение, которое содержит дополнительные сведения. Пользователь информируется о состоянии спутника и его параметрах - системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиту движения навигационного спутника), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и/или L2.

Навигационные GPS- или GPS/ГЛОНАСС приемники различаются по количеству каналов приема (обычно 6–8), скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат, целевым назначением. По назначению различают следующие виды приемников: простейшие персональные; бортовые авиационные; геодезические; временные, встраиваемые модульные и др. Приемники, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам

Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах - 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D устанавливается широта и долгота (высота считается известной); для этого достаточно присутствия в зоне “радиовидимости” трех спутников. Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее четырех НКА. Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин. Комбинированные GPS/ГЛОНАСС - приемники с обобщенным алгоритмом определения местоположения даже при использовании стандартного С/А - кода обеспечивают более высокую точность (15–20 м).

Основные источники погрешностей СРНС приведены в табл. 4..

Новые возможности открывает европейская глобальная навигационная спутниковая система GNSS (Global Navigation Satellite System). Система GNSS станет естественным расширением GPS и ГЛОНАСС, обеспечивая совместимость с ними по структуре основных сигналов навигации. Ее сигналы будут аналогичны по структуре сигналам систем GPS и ГЛОНАСС, однако, в отличие от последних, в сообщения GNSS будут добавлены сведения о целостности навигационной системы и ряд других данных, позволяющих повысить точность определений.

Таблица 4 – Основные источники погрешностей СРНС

Источники погрешностей	Особенности и методы уменьшения	Оценки	Примечание
Режим селективного доступа (Selective availability - S/A).	С целью загрубления навигационных измерений намеренно формируются неверные данные об орбите НКА и искажаются показания их часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала.	СКО составляет примерно 30 м (100 нс).	Режим S/A вводится в системе GPS по решению правительства США
Распространение радиоволн в ионосфере	Навигационное сообщение, передаваемое с борта НКА, содержит параметры модели ионосферы Компенсировать ошибки можно при использовании сигналов, принимаемых на двух разных частотах	20-30 м (60-100 нс) днем и 3-6 м (10-20 нс)	Параметры модели ионосферы передается в системе GPS
Распространение радиоволн в тропосфере	Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы	30 м (100 нс).	–
Эфемеридная погрешность	Обусловлены расхождением между фактическим положением НКА и его расчетным положением, которое устанавливается по данным сигнала с борта НКА.	3 м (10 нс).	–
Погрешность ухода шкалы времени спутника	Обусловлена расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.	Практически отсутствует	Ссылка в литературе на отсутствие данного вида погрешностей вызывают сомнения
Погрешность определения расстояния до спутника	Является статистической. Вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени.	10 м (30 нс).	Данная погрешность некоррелирована с другими видами погрешностей.

К созданию системы GNSS привела идея мгновенной оценки текущего состояния орбитальных группировок GPS/ГЛОНАСС с помощью геостационарных НКА и своевременного оповещения о нем потребителей. Пользовательская аппаратура GNSS оснащается оборудованием для обработки дополнительного навигационного сигнала. Эти сигналы будут формироваться в специальных региональных вычислительных центрах. Информацию о целостности GPS и ГЛОНАСС предполагается доводить до потребителей с помощью геостационарных НКА по узкополосным каналам, называемым каналами целостности GIC (GPS Integrity Channel).

Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта и устранения ошибок, связанных с введением режима селективного доступа, основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 5 м в динамической навигационной обстановке и до 2 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приемник, и дает возможность одновременно отслеживать GPS-спутники.

Опорная станция включает в себя измерительный датчик GPS с антенной, процессор, приемник и передатчик данных с антенной. Станция, как правило, использует многоканальный приемник GPS, каждый канал которого отслеживает один видимый спутник. Необходимость непрерывного отслеживания каждого НКА обусловлена тем, что опорная станция должна "захватывать" навигационные сообщения раньше, чем приемники потребителей. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными, контрольный GPS–приемник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.