4.2 Метод перевозимых квантовых часов

Метод перевозимых квантовых часов (ПКЧ ) или метод транспортируемого квантового генератора (ТКГ) является одним из наиболее важных в метрологической практике. ПКЧ - это по сути малогабаритная транспортируемая мера частоты и времени (или эталон сравнения), которая перед транспортировкой и после нее сравнивается со стационарными синхронизируемыми стандартами или эталонами времени и частоты [5, 14].

Во время транспортировки и при работе на объекте ПКЧ хранят с определенной точностью единицы времени и частоты и шкалу времени, переданные им в синхронизируемых пунктах.

Метод ПКЧ позволяет, в отличие от большинства других методов, производить прямые измерения, а не косвенные. Точность синхронизации данным методом в основном определяется характеристиками перевозимых часов – квантового стандарта времени и частоты.

Вначале, в качестве ПКЧ использовались рубидиевые (типа HP-5065А, СЧВ-74, СЧВ-74) или цезиевые (типа HP-5061А) стандарты времени и частоты. Они обеспечивали погрешность измерений сдвига шкал не более 1 мкс (для рубидиевых ПКЧ) и 0,1 мкс (для цезиевых ПКЧ) для случая времени транспортировки в течение нескольких суток.

1 — Звуковое радиовещание; 2. — ДВ радиостанции; 3. — ИСЗ (низкоорбит.);

4. — Радионавигационные системы ДВ (“Чайка”, “Лоран‑С”); 5. — ТВ; 6. — ПКЧ (НР‑50601А, Ч1‑76, 17н646); 7. — Среднеорбитальные спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS (7.1 — непосредственные измерения, 7.2 — дифференциальный режим); 8. — Радиометеорный метод (МЕТКА, КАМА, 17н91, 17н830) и связные ИСЗ; 9. — Лазерные и волоконно-оптичесие линии.

Рисунок 10 – Современные средства и методы синхронизации:

В настоящее время в качестве ПКЧ используются пассивные водородные стандарты времени и частоты типа Ч1-76 и малогабаритный водородный стандарт активного типа с сапфировым резонатором. Современные водородные ПКЧ обеспечивают наносекундную погрешность измерений. Для сокращения времени транспортировки используется самолет и вариант беспосадочного сравнения (“летающие ПКЧ”).

Организационно метод ПКЧ достаточно сложен, а экономически весьма дорог и поэтому используется сравнительно редко, главным образом, в метрологии, для контроля результатов измерений другими методами.

4.2 Непосредственный и дифференциальный методы приема сигналов спутниковых радионавигационных систем.

В настоящее время использование сигналов спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС является одним из наиболее высокоточных способов синхронизации часов в глобальном масштабе.

Различные аспекты синхронизации часов по сигналам GPS и ГЛОНАСС достаточно широко и подробно рассмотрены в литературе, например, в [47–53].

Существует четыре основных метода синхронизации часов по сигналам спутниковых навигационных систем: непосредственной синхронизации, взаимной синхронизации, пролетных часов и радиоинтерферометрии на короткой базе [47]. Наибольшее распространение среди них получили два первых метода, принципы которых иллюстрируются на рис. 1

Метод непосредственной синхронизации часов является наиболее простым. Он обеспечивает глобальную зону и не требует привлечения дополнительной информации, кроме передаваемой в составе навигационных сигналов. Расхождение часов потребителя относительно ШВС или UTC (SU) определяется в соответствии с выражением

где S – измеренное значение так называемой “псевдодальности”, рассчитанной по сдвигу между принятым сигналом НКА и опорным сигналом приемника потребителя; D – дальность от НКА до потребителя; с – скорость света; _ион, _троп – поправки, учитывающие влияние ионосферы и тропосферы на распространение сигнала НКА; _ап –задержка сигнала в приемнике; Т_НКА – расхождение шкалы времени НКА относительно ШВС; Т_ШВС – расхождение ШВС относительно UTC (SU).

Дальность от НКА до потребителя рассчитывается на основе известных координат потребителя (х_п, y_п, z_п) и эфемерид НКА (х_i, y_i, z_i), передаваемых в составе навигационного сигнала.

Расхождение шкалы времени НКА относительно ШВС рассчитывается на основе частотро-временных поправок ЧВП (_i, _i). Значение расхождения ШВС относительно UTC (SU) передается в составе навигационного сигнала непосредственно в виде поправки к ШВС t(c).

Так как в системе ГЛОНАСС в составе навигационных сигналов НКА не передаются параметры модели ионосферы для учета ее влияния на распространение сигнала, ионосферная поправка рассчитывается потребителем на основе параметров, хранимых автономно в приемнике. Аналогично рассчитывается тропосферная поправка. Задержка сигнала в приемнике определяется путем его периодической калибровки. Из выражения (1) следует, что точность синхронизации часов при использовании метода непосредственной синхронизации определяется следующими составляющими:

• погрешностью измерения “псевдодальности”;

• нестабильностью задержки сигнала в приемнике;

• погрешностью учета ионосферной и тропосферной задержек;

• погрешностью знания координат антенны приемника;

• погрешностью эфемерид НКА;

• погрешностью ЧВП;

• погрешностью поправки к ШВС.

Поскольку первые четыре из перечисленных составляющих погрешностей обусловлены характеристиками приемника, а три последние – характеристиками системы, точность синхронизации в режиме непосредственной синхронизации не может быть получена лучше десятков наносекунд.

Метод взаимной синхронизации предполагает проведение одновременных измерений в пунктах А, В размещение часов по сигналам одного из НКА и последующий обмен результатами измерений. В этом случае взаимное расхождение шкал времени часов определяется в соответствии с выражением

Т^АВ=Т^А-Т^В

где Т^А, Т^В – результаты определения расхождения каждых часов относительно ШВС или UTC (SU) в соответствии с (1).

Очевидно, что за счет исключения ряда составляющих, обусловленных характеристиками системы и являющихся общими для часов А и В, точность их взаимной синхронизации повышается. В связи с этим важное значение приобретают характеристики приемников, определяющие потенциальную точность синхронизации часов.

Результаты проведенных в РИРВ и ВНИИФТРИ экспериментов [47, 48] показали, что уже в настоящее время система ГЛОНАСС обеспечивает точность синхронизации часов на уровне 10-20 нс (не хуже 20 нс за сутки в режиме непосредственной синхронизации и не хуже 10 нс в режиме взаимной синхронизации).