СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЧАСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Предлагаемые способ и устройство относится к технике связи и радиолокации и может быть использованы в радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (РСДБ), а также в службе единого времени и частоты.

Известны способы и устройства синхронизации часов (авт. свид. СССР №№591.799, 614.416, 970.300, 1.180.835, 1.244.632, 1.278.800; патенты РФ №№2.003.157, 2.040.035, 2.177.167, 2.182.341, 2.248.669, 2.292.574, 2.301.437, 2.439.643, 2.535.653; патент США №5.519.759; патент Германии №3.278.943; патент ЕР №0.564.220; патент WO №99/97.826 и другие.

Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемым являются "Способ синхронизации часов и устройство для его реализации" (патент РФ №2.439.643, G04С 11/02, 2014), которые и выбраны в качестве базовых объектов.

Указанные способ и устройство обеспечивают сличение шкал времени, разнесенных на большие расстояния, и основаны на использовании дуплексного метода связи через геостационарный ИСЗ-ретранслятор.

Однако потенциальные возможности известных технических решений используются не в полной мере.

Используя радиопросвечивание атмосферы (тропосферы и части ионосферы) с помощью четырех частот можно оценить скорость распространения и направление прихода ионосферного возмущения. Ионосферное возмущение может быть вызвано солнечной, геомагнитной и сейсмической активностью, предвестником землетрясения, извержения вулканов, цунами, процессами грозовой активности, динамикой мощных штормовых циклонов, ядерными и иными крупными взрывами и пожарами, большими аварийными выбросами на атомных электростанциях, запусками космических аппаратов и ракет, излучениями мощных радиопередающих комплексов радиолокационного и связного назначения.

Ионосфера - это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 5-500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывают задержку распространения ретранслированного сигнала, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорционально квадрату частоты ретранслированного сигнала.

Для вычисления ионосферной поправки используется измерение псевдодальности на двух частотах:

где ,

f₁, f₂ - частоты ретранслированных сигналов (f₁=f_c, f₂=f₃, f_к1, f_к2);

Д₁, Д₂ - измеренные псевдодальности на частотах fi и f₂ соответственно.

Ионосферная поправка псевдодальности устраняет систематическую ошибку порядка 5 метров в определении вектора положения покоящегося наблюдателя.

Тропосфера - самый нижний слой атмосферы (до высоты 8-13 км). Она также обуславливает задержку распространения сигнала от ИСЗ-ретранслятора. Задержка сигнала в тропосфере также вызвана эффектами рефракции. В отличие от ионосферной задержки тропосферная задержка не зависит от частоты сигнала, она зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), также от высоты ИСЗ-ретранслятора над горизонтом. Для вычисления тропосферной поправки измерения псевдодальности используют измерения температуры, давления воздуха и парциального давления водяного пара. Эти измерения доступны в сети Интернет для каждого наземного пункта А, В, С, Д и Е, фиг. 1.

Соотношение для вычисления тропосферной поправки псевдодальности наземного наблюдателя имеет вид:

где Т - температура в К;

Р - давление воздуха [мб];

В - парциальное давление водяного пара [мб];

Θ - зенитный угол направления на ИСЗ-ретранслятор.

Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальности в 1 м. Определение значения полного электронного содержания (ПЭС) ионосферы осуществляется по двухчастотным измерениям дальности между ИСЗ-ретранслятором наземным приемником

где f_1, f₂, λ₁, λ₂ - частоты и длины волн ретранслированных сигналов;

L₁λ₁. L₂λ₂ - фазовый путь трансионосферных сигналов (L₁, L₂ - число полных оборотов фазы);

Θ - зенитный угол луча приемник - ИСЗ-ретранслятор.

Совокупность лучей приемник - ИСЗ-ретранслятор в заданном регионе образует приемную решетку, каждый i-й элемент которой в момент времени t характеризуется изменением значения ПЭС Y_i(t) и положением соответствующей ионосферной точки X_i(t), Y_i(t) и Z_i(t).

Временные ряды ПЭС отражают как регулярные изменения ПЭС в точке регистрации, так и вариации ПЭС, вызванные ионосферными возмущениями различного характера.

Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей известных технических решений путем определения скорости распространения и направления прихода ионосферного возмущения, вызванного различными дестабилизирующими факторами, за счет восстановления пространственного распределения полного электронного содержания ионосферы по данным радиопросвечивания атмосферы ретранслированными сигналами.

Поставленная задача решается тем, что способ синхронизации часов, основанный, в соответствии с ближайшим аналогом, на одновременном приеме разнесенными наземными пунктами шумоподобных СВЧ-сигналов с борта искусственного спутника Земли, когерентном преобразовании их к видеочастоте, цифровой регистрации принятых сигналов и определении временной задержки прихода одного и того же сигнала в пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, при этом в начальный момент времени t₁ по часам первого пункта с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на этом же пункте, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω₁ усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении на искусственный спутник Земли-ретранслятор, в тот же момент времени t₁ по часам второго пункта с помощью такой же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на втором пункте, принимают бортовой аппаратурой искусственного спутника Земли-ретранслятора сигнала на частоте ω₁, переизлучают его на первый и второй пункты на частоте ω₂ с сохранением фазовых соотношений, в произвольный момент времени t₃ по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал, сформированный сигнал преобразуют на частоту ω₁, усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же искусственного спутника Земли-ретранслятора, в тот же момент времени t₃ по часам первого пункта с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал, регистрируют его на первом пункте, принимают шумоподобный сигнал по основному каналу на частоте ω₂, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют первое и второе напряжения второй промежуточной частоты, второе напряжение второй промежуточной частоты сдвигают по фазе на -90°, суммируют с первым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное первое суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют гармоническое напряжение на частоте ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения дальнейшей обработки принимаемого сигнала, отличается от ближайшего аналога тем, что принимаемый шумоподобный сигнал по зеркальному каналу на частоте ω_З1 преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют третье и четвертое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают четвертое напряжение второй промежуточной частоты на +90°, суммируют с третьим напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное второе суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют второе гармоническое напряжение на частоте ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации второго суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_З в первый и третий пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, принимают шумоподобный сигнал по первому комбинационному каналу на частоте ω_К1, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжение второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют пятое и шестое напряжения второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают шестое напряжение второй промежуточной частоты на -90°, суммируют с пятым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное третье суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют третье гармоническое напряжение на частоте 2ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации третьего суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_К1 в первый и четвертый пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, принимают шумоподобный сигнал по второму комбинационному каналу на частоте ω_К2, преобразуют по частоте с использованием напряжения второго гетеродина и напряжения второго гетеродина, сдвинутого по фазе на +90°, выделяют седьмое и восьмое напряжение второй промежуточной частоты соответственно, сдвигают восьмое напряжение второй промежуточной частоты на +90°, суммируют с седьмым напряжением второй промежуточной частоты, перемножают полученное четвертое суммарное напряжение с принимаемым шумоподобным сигналом, выделяют четвертое гармоническое напряжение на частоте 2ω_Г2 второго гетеродина, детектируют его и используют для разрешения цифровой регистрации четвертого суммарного напряжения, определяют временную задержку прихода одного и того же сигнала на частоте ω_К2 в первый и пятый пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени, отличается от ближайшего аналога тем, что анализируют данные о полном электронном содержании в ионосфере Земли, которые получают в результате обработки сигналов, принимаемых двухчастотными приемниками наземных пунктов, с последующим формированием временных рядов полного электронного содержания и их фильтрацией в диапазоне периодов колебаний, соответствующих отклику ионосферы на воздействие источника ионосферного возмущения, при этом используют протяженную приемную антенную систему и последовательно проверяют гипотезу о значениях направления прихода и скорости распространения плоского фронта ионосферного возмущения путем формирования диаграммы направленности приемной системы и ее сканирования в заданном секторе, обзора пространства направление прихода - скорость распространения ионосферного возмущения за счет синтеза выходного сигнала приемной системы при синфазном суммировании рядов вариаций полного электронного содержания отдельных антенн системы с временными сдвигами, рассчитанными исходя из проверяемых значений направления ионосферного возмущения и расстояний, пройденных фронтом ионосферного возмущения между антенными системы в проверяемом направлении внутри сферического слоя ионосферы Земли, решение о правильности проверяемой гипотезы и обнаружении ионосферного возмущения принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня, соответствующие значения направления прихода и фазовой скорости распространения ионосферного возмущения считаются оценочными значениями.

Поставленная задача решается тем, что устройство синхронизации часов, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, геостационарный ИСЗ-ретранслятор, первый и второй наземные пункты, каждый из которых содержит последовательно включенные стандарт частоты и времени, первый гетеродин, первый смеситель, второй вход которого через переключатель соединен с первым выходом генератора псевдошумового сигнала, усилитель первой промежуточной частоты, первый усилитель мощности, дуплексер, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной, второй усилитель мощности, второй смеситель, второй вход которого через второй гетеродин соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель второй промежуточной частоты, первый сумматор, первый перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, первый узкополосный фильтр, первый амплитудный детектор, первый ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство и первый измеритель задержек и их производных, выход которого является первым выходом наземного пункта, последовательно подключенные к второму выходу генератора псевдослучайного сигнала, первый клиппер, второй вход которого соединен с вторым выходом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство, выход которого соединен с вторым входом первого измерителя задержек и их производных, последовательно подключенные к выходу второго гетеродина первый фазовращатель на +90°, третий смеситель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй усилитель второй промежуточной частоты и второй фазовращатель на -90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора, последовательно подключенные к выходу второго усилителя второй промежуточной частоты третий фазовращатель на +90°, второй сумматор, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя второй промежуточной частоты, второй перемножитель, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя мощности, второй узкополосный фильтр, второй амплитудный детектор, второй ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, третий клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, третье буферное запоминающее устройство и третий измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является вторым выходом наземного пункта, к выходу первого перемножителя последовательно подключены третий узкополосный фильтр, третий амплитудный детектор, третий ключ, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, четвертый клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, четвертое буферное запоминающее устройство и третий измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является третьим выходом наземного пункта, к выходу второго перемножителя последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр, четвертый амплитудный детектор, четвертый ключ, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора, пятый клиппер, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта частоты и времени, пятое буферное запоминающее устройство и четвертый измеритель задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства, а выход является четвертым выходом наземного пункта, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено тремя блоками обработки сигналов, тремя блоками формирования временных рядов полного электронного содержания, третьим сумматором, пороговым блоком и компьютером, причем к выходу первого ключа последовательно подключены первый блок обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом четвертого ключа, первый блок формирования временных рядов полного электронного содержания, третий сумматор, пороговый блок и коммутатор, второй вход которого соединен с блоком управления антенной, к выходу первого ключа последовательно подключены второй блок обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом второго ключа, и второй блок формирования временных рядов полного электронного содержания, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора к выходу первого ключа последовательно подключены третий блок обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа, и третий блок формирования временных рядов полного электронного содержания, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора.

Геометрическая схема расположения наземных пунктов А, В, С, D, Е и ИСЗ-ретранслятора S изображена на фиг. 1, где введены следующие обозначения: О - центр масс Земли; d₁, d₂, d₃, d₄ - базы интерферометра, r - радиус-вектор ИСЗ-ретранслятора. Временная диаграмма дуплексного метода сличения часов первого А и второго В пунктов представлена на фиг. 2, где введены следующие обозначения: S, А, В - шкалы времени ИСЗ-ретранслятора и пунктов А и В соответственно. Структурная схема аппаратуры одного из пунктов (А), реализующей предлагаемый способ синхронизации часов, представлена на фиг. 3. Частотная диаграмма, иллюстрирующая преобразование сигналов по частоте, показана на фиг. 4. Геометрия определения координат удаленного точечного источника ионосферного возмущения изображена на фиг. 5.

Аппаратура наземного пункта А содержит последовательно включенные стандарт 1 частоты и времени, первый гетеродин 2.1, первый смеситель 5, второй вход которого через переключатель 4 соединен с первым выходом генератора 3 псевдослучайного сигнала, усилитель 6 первой промежуточной частоты, первый усилитель 7 мощности, дуплексер 8, вход-выход которого связан с приемопередающей антенной 9, второй усилитель 12 мощности, второй смеситель 13, второй вход которого через второй гетеродин 2.2 соединен с первым выходом стандарта частоты и времени, первый усилитель 14 второй промежуточной частоты, первый сумматор 22, первый перемножитель 23, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, первый узкополосный фильтр 24, первый амплитудный детектор 25, первый ключ 26, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 22, второй клиппер 15, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, второе буферное запоминающее устройство 16 и первый измеритель 17 задержек и их производных, выход которого является первым выходом 1 наземного пункта, к второму выходу генератора 3 псевдослучайного сигнала последовательно подключены первый клипер 10, второй вход которого соединен с вторым входом стандарта частоты и времени, и первое буферное запоминающее устройство 11, выход которого соединен с вторым входом первого измерителя 17 задержек и их производных. К выходу второго гетеродина 22 последовательно подключены первый фазовращатель 18 на +90°, третий смеситель 19, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, второй усилитель 20 второй промежуточной частоты и второй фазовращатель 21 на -90°, выход которого соединен с вторым входом первого сумматора 22. К выходу второго усилителя 20 второй промежуточной частоты последовательно подключены третий фазовращатель 27 на +90°, второй сумматор 28, второй вход которого соединен с выходом первого усилителя 14 второй промежуточной частоты, второй перемножитель 29, второй вход которого соединен с выходом второго усилителя 12 мощности, второй узкополосный фильтр 30, второй амплитудный детектор 31, второй ключ 32, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 28, третий клиппер 33, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, третье буферное запоминающее устройство 34 и второй измеритель 35 задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства 11, а выход является вторым выходом II наземного пункта. К выходу первого перемножителя 23 последовательно подключены третий узкополосный фильтр 36, третий амплитудный детектор 37, третий ключ 38, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора 22, четвертый клиппер 30, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, четвертое буферное запоминающее устройство 40 и третий измеритель 41 задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства 11, а выход является третьим Ш выходом наземного пункта. К выходу второго перемножителя 29 последовательно подключены четвертый узкополосный фильтр 42, четвертый амплитудный детектор 43, четвертый ключ 44, второй вход которого соединен с выходом второго сумматора 28, пятый клиппер 45, второй вход которого соединен с третьим выходом стандарта 1 частоты и времени, пятое буферное запоминающее устройство 46 и четвертый измеритель 47 задержек и их производных, второй вход которого соединен с выходом первого буферного запоминающего устройства 11, а выход является четвертым IV выходом наземного пункта.

К выходу первого ключа 26 последовательно подключены первый блок 48.1 обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом четвертого ключа 44, второй блок 49.1 формирования временных рядов полного электронного держания, третий сумматор 50, пороговый блок 51 и компьютер 52, второй вход которого соединен с блоком управления антенной 9. К выходу первого ключа 26 последовательно подключены второй блок 48.2 обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом второго ключа 32, и второй блок 49.2 формирования временных рядов полного электронного содержания, выход которого соединен с вторым входом третьего сумматора 50. К выходу первого ключа 26 последовательно подключены третий блок 48.3 обработки сигналов, второй вход которого соединен с выходом третьего ключа 38, и третий блок 49.3 формирования временных рядов полного электронного содержания, выход которого соединен с третьим входом третьего сумматора 50.

Синхронизацию часов по предлагаемому способу осуществляют следующим образом.

В момент времени t₁^A по часам первого пункта А с помощью кодовой последовательности формируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α₁) (фиг. 2):

u_с(t)=U_сcos[ω_сt+ϕ_k(t)+ϕ_c], 0≤t≤Т_c,

где U_с, ω_с, ϕ_с, Т_с - амплитуда, несущая частота, начальная фаза и длительность сигнала;

ϕk(t)={0,π} - манипулируемая составляющая фазы, отображающая закон фазовой манипуляции в соответствии с кодовой последовательностью M(t), причем ϕ_k(t)=const при kτ_Э<t<(k+1)τ_Э и может изменяться скачком при t=kτ_Э, т.е. на границах между элементарными посылками (K=1, 2, …N-1);

t_Э, N - длительность и количество элементарных посылок, из которых составлен сигнал длительностью T_с(Т_с=Nτ_Э), в генераторе 3 с помощью стандарта 1 частоты и времени.

Указанный сигнал поступает на вход клиппера 10, а затем регистрируется в буферном запоминающем устройстве 11. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.

Сформированный сигнал u_c(t) поступает на первый вход первого смесителя 5, на второй вход которого подается напряжение первого гетеродина 2.1

u_Г1(t)=U_Г1cos(ω_Г1t+ϕ_Г1).

На выходе смесителя 5 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителем 6 выделяется напряжение первой промежуточной (суммарной) частоты

u_пр1(t)=U_пр1cos[ϕ_пр1t+ϕ_k(t)+ϕ_пр1], 0≤t≤Т_с,

где ;

К₁ - коэффициент передачи смесителя;

ω_пр1=ω_с+ω_Г1 - первая промежуточная (суммарная) частота;

ϕ_пр1=ϕ_с+ϕ_Г1,

которое после усиления в усилителе 7 мощности через дуплексер 8 и приемопередающую антенну 9 излучается в направлении ИСЗ-ретранслятора на частоте ω₁=ω_пр1.

В тот же момент времени t₁^A=t₁^B по часам второго пункта В с помощью такой же кодовой последовательности M(t) формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал β₁). Регистрируют его на втором пункте В (сигнал β₁, который однако не отправляют на ретрансляцию). Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора на частоте ω₁ (сигнал α₁), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω₂ с сохранением фазовых соотношений на интервале t_с.

Ретранслированный сигнал (сигнал α₂) на частоте ω₂

u₂(t)=U₂cos[ω₂t+ϕ_k(t)+ϕ₂], 0≤t≤Т_с,

принимается приемопередающей антенной 9 и через дуплексер 8 и усилитель 12 мощности поступает на первые входы второго 13 и третьего 19 смесителей и перемножителя 23. На вторые входы смесителей 13 и 19 подаются напряжения второго гетеродина 2.2:

u_Г2(t)=U_Г2(ω_Г2t+ϕ_Г2),

u_Г3(t)=U_Г2cos(ω_Г2t+ϕ_Г2+90°).

Причем частоты ω_Г1 и ω_Г2 первого 2.1 и второго 2.2 гетеродинов разнесены на вторую промежуточную частоту

ω_Г2-ω_Г1=ω_пр2.

На выходах смесителей 13 и 19 образуются напряжения комбинационных частот. Усилителями 14 и 20 выделяются напряжения второй промежуточной (разностной) частоты:

u_пр2(t)=U_пр2cos[ω_пр2(t)-ϕ_K1(t)+ϕ_пр2],

u_пр3(t)=U_пр2cos[ω_пр2(t)-ϕ_К1(t)+ϕ_пр2+90°], 0≤t≤Т_с,

где ;

ω_пр2=ω_Г2-ω₂ - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_пр2=ϕ_Г2-ϕ₂.

Напряжение u_пр3(t) с входа усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на вход фазовращателя 21 на -90°, на выходе которого образуется напряжение

u_пр4(t)=U_пр2cos[ω_пр2t-ϕ_k(t)+ϕ_пр2+90°-90°]=U_пр2cos[ω_пр2t-ϕ_k(t)+ϕ_пр2], 0≤t≤Т_с.

Напряжения u_пр2(t) и u_пр4(t) с выхода усилителя 14 и фазовращателя 21 на -90° поступают на два входа первого сумматора 22, на выходе которого образуется первое суммарное напряжение

u_Σ1(t)=U_Σ1cos[ω_пр2t-ϕ_k1(t)+ϕ_пр2], 0≤t≤Т_с,

где U_Σ1=2U_пр2,

которое поступает на второй вход перемножителя 23. На выходе последнего образуется гармоническое напряжение

u₁(t)=U₁cos(ω_Г2t+ϕ_Г2), 0≤t≤T_c,

где ;

K₂ - коэффициент передачи перемножителя,

которое выделяется узкополосным фильтром 24 (частота настройки ω_н которого выбирается равной частоте второго гетеродина 2.2 ω_н=ω_Г2), детектируется амплитудным детектором 25 и поступает на управляющий вход ключа 26, открывая его. В исходном состоянии ключ 26 всегда закрыт.

Напряжение u_Σ(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 26 поступает на вход клиппера 15, где оно клиппируется и записывается в буферное запоминающее устройство 16. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени.

На втором шаге (при передаче сигнала из пункта В) переключатель 4 должен быть разомкнут и сигнал α₃ из генератора 3 через клиппер 10 поступает в то же запоминающее устройство 11. Ретранслированный сигнал α₄ записывается, как и α₂, в запоминающее устройство 16.

В произвольный момент времени t₃^В=t₂^В+Θ по часам второго пункта аналогично формируют и регистрируют шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал (β₃). Сформированный сигнал преобразуют на частоту ω₁ усиливают его по мощности, излучают усиленный сигнал в направлении того же ИСЗ-ретранслятора.

В тот же момент времени t₃^B=t₃^A по часам первого пункта А с помощью той же кодовой последовательности формируют такой же шумоподобный СВЧ-сигнал (сигнал α₃). Регистрируют его на первом пункте А. Принимают бортовой аппаратурой ИСЗ-ретранслятора сигнал на частоте ω₁ (сигнал α₃), переизлучают его на пункты А и В на частоте ω₂ с сохранением фазовых соотношений, принимают ретранслированный сигнал на обоих пунктах, преобразуют его на видеочастоту, регистрируют в моменты времени t₄^A и t₄^B соответственно (сигнал α₄, β₄).

Корреляционной обработкой двух пар зарегистрированных сигналов в измерителе 17 определяют на каждом пункте следующие временные задержки:

τ_t=β₁⊗β₂=t₂^B-t₁^B=a₁+b₂+(Δ_В^И+Δ_В^П+ΔS)+Δt,

τ₂=α₃⊗α₄=t₄^A-t₃^A=a₃+b₂+(Δ_В^И+Δ_А^П+ΔS)-Δt,

τ₃=α₁⊗α₂=t₂^A-t₂^A=a₁+a₂+(Δ_Ф^И+Δ_А^П+ΔS),

τ₄=β₃⊗β₄=t₄^B-t₃^B=b₂+b₃+(Δ_В^И+Δ_В^П+ΔS),

и соответствующие им частоты интерференции F_i (i=1, 2, 3, 4), которые определяют производные этих задержек:

,

где ,

a_j, b_j (j=1, 2, 3) - время распространения сигнала между ИСЗ и пунктами А и В соответственно (фиг. 1);

Δ_А^И, Δ_В^И - задержки сигналов в излучающей аппаратуре обоих пунктов;

Δ_A^П, Δ_В^П - задержки сигналов в приемно-регистрирующей аппаратуре;

ΔS - задержка сигналов в бортовом ИСЗ-ретрансляторе;

Δt=t₁^B-t₁^A - искомая разность показаний часов в один и тот же физический момент.

Полагая a_j и b_j линейными функциями с производными , , получаем:

,

где

,

,

,

,

Δ_А,В', Δ_А,В'' ^_ задержки сигнала в атмосфере на частотах ω₁ и ω₂ соответственно;

ν - релятивистская поправка (эффект Саньяка);

ω - угловая скорость вращения Земли;

с - скорость света;

D - площадь четырехугольника OA'S'B', образуемого в экваториальной плоскости центром масс Земли, проекциями пунктов А, В и ИСЗ-ретранслятора S.

Поправки γ на подвижность ИСЗ-ретранслятора во время единичного измерения проще всего свести к нулю соответствующим выбором свободного параметра Θ:

,

который следует в начале измерений рассчитывать по приближенным эфемеридным данным, а затем уточнить по результатам текущих измерений.

Что касается поправки δ на аппаратурные задержки, то ее можно найти путем калибровки по методу «нулевой базы».

Атмосферная поправка ε также учитывается.

На пункте В аппаратура работает аналогично, только порядок шагов там обратный. Для вычисления разности показаний часов Δt теперь достаточно обменяться между пунктами полученными цифровыми данными, что можно делать по обычным телефонным или телеграфным каналам связи.

Описанная выше работа устройства, реализующего предлагаемый способ, соответствует приему полезных сигналов по основному каналу на частоте ω₂ (фиг. 4).

Если шумоподобный сигнал принимается по зеркальному каналу на частоте ω_З

u_З(t)=U_Зcos[ω_Зt+ϕ_K2(t)+ϕ_З], 0≤t≤T_З,

то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

u_ПР5(t)=U_ПР5cos[ω_ПР2t+ϕ_K2(t)+ϕ_ПР5],

u_ПР6(t)=U_ПР5cos[ω_ПР2t+ϕ_K2(t)+ϕ_ПP5-90°], 0≤t≤Т_З,

где ;

ω_ПР2=ω_З-ω_Г2 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_ПР5=ϕ_З^_ϕ_Г2.

Напряжение u_ПР6(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:

u_ПР7(t)=U_ПР5cos[ω_ПР2t+ϕ_K2(t)+ϕ_ПР5-90°-90°]=-U_ПР5cos[ω_ПР2t+ϕ_K2(t)+ϕ_ПР5],

u_ПР8(t)=U_ПР5cos[ω_ПР2+ϕ_К2(t)+ϕ_ПР5-90°+90°]=U_ПР5cos[ω_ПР2t+ϕ_К2(t)+ϕ_K2(t)+ϕ_ПР5], 0≤t≤T_З.

Напряжения u_ПР5(t) и u_ПР7(t), поступающие на два входа сумматора 22, на его выходе компенсируются.

Напряжения u_ПР5(t) и u_ПР8(t) поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого образуется второе суммарное напряжение

u_Σ2(t)=U_Σcos[ω_ПР2t+ϕ_K2(t)+ϕ_ПР5], 0≤t≤Т_З,

где U_Σ2=2U_ПР5,

которое поступает на второй вход второго перемножителя 29, на первый вход которого подается принимаемый шумоподобный сигнал u_З(t) с выхода второго усилителя 12 мощности. На выходе перемножителя 29 образуется гармоническое напряжение

u₂(t)=U₂cos(ω_Г2t+ϕ_Г2), 0≤t≤T_З,

где ,

которое выделяется вторым узкополосным фильтром 30, детектируется вторым амплитудным детектором 31 и поступает на управляющий вход второго ключа 32, открывая его. В исходном состоянии ключи 32, 38 и 44 всегда закрыты.

Следует отметить, что частота ω_Н1 настройки узкополосного фильтра 30 выбирается равной частоте второго гетеродина 22 ω_Н1=ω_Г2, а частота ω_Н2 настройки узкополосных фильтров 36 и 42 выбирается равной второй гармонике частоты второго гетеродина 22 ω_Н2=2ω_Г2.

Второе суммарное напряжение u_Σ2(t) с выхода второго сумматора 28 через открытый второй ключ 32 поступает на вход второго клипера 33, где оно клиппируется и записывается во второе буферное запоминающее устройство 34. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени. Затем определяют временную задержку прихода одного и того же шумоподобного сигнала на частоте ω_З в первый А и третий С пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

Если шумоподобный сигнал

u_K1(t)=U_K1cos[ω_K1t+ϕ_K3(t)+ϕ_K1], 0≤t≤Т_K1,

принимается по первому комбинационному каналу на частоте ω_К1, то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

u_ПР9(t)=U_ПР9cos[ω_ПР2t-ϕ_K3(t)+ϕ_ПР9],

u_ПР10(t)=U_ПР9cos[ω_ПР2t-ϕ_K3(t)+ϕ_ПР10+90°], 0≤t≤Т_K1,

где ;

ω_ПР2=2ω_Г2-ω_К1 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_ПР9=ϕ_Г2-ϕ_К1.

Напряжение u_ПР10(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:

u_ПР11(t)=U_ПР9cos[ω_ПР2t-ϕ_К3(e)+ϕ_ПР9+90°-90°]=U_ПР9cos[ω_ПР2t-ϕ_К3(t)+ϕ_ПР9],

U_ПР12(t)=U_ПР9cos[ω_ПР2t-ϕ_K3(t)+ϕ_ПР9-90°+90°]=-U_ПР9cos[ω_ПР2t-ϕ_K3(t)+ϕ_ПР9], 0≤t≤T_K1,

Напряжения u_ПР9(t) и u_ПР12(t), поступающие на два входа сумматора 28, на его выходе компенсируются.

Напряжения u_ПР9(t) и u_ПР11(t) поступают на два входа сумматора 27, на выходе которого образуется третье суммарное напряжение

u_Σ3=U_Σ3cos[ω_ПР2t-ϕ_K3(t)+ϕ_ПР9], 0≤t≤Т_К1,

где U_Σ3=2U_ПР9,

которое поступает на второй вход первого перемножителя 23, на второй вход которого подается принимаемый шумоподобный сигнал u_K1(t) с выхода второго усилителя 12 мощности. На выходе перемножителя 23 образуется гармоническое напряжение

u_З(t)=U_Зcos(2ω_Г2t+ϕ_Г2), 0≤t≤T_K1,

где ;

которое выделяется третьим узкополосным фильтром 36, детектируется третьим амплитудным детектором 31 и поступает на управляющий вход третьего ключа 38, открывая его. При этом суммарное напряжение u_Σ3(t) с выхода сумматора 22 через открытый ключ 38 поступает на вход клипера 39, где оно клиппируется и записывается в третье буферное запоминающее устройство 40. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени. Затем определяют временные задержки прихода одного и того же шумоподобного сигнала на частоте ω_К1 в первый А и четвертый D пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени. Если шумоподобный сигнал

u_K2(t)=U_K2cos[ω_ПР2t+ϕ_К4(t)+ϕ_К2], 0≤t≤Т_К2,

принимается по второму комбинационному каналу на частоте ω_К2 (фиг. 4), то усилителями 14 и 20 второй промежуточной частоты выделяются следующие напряжения:

u_ПР13(t)=U_ПР13cos[ω_ПР2t+ϕ_K4(t)+ϕ_ПР13],

u_ПР14(t)=U_ПР13cos[ϕ_ПР2t+ϕ_К4(t)+ϕ_ПР13-90°], 0≤t≤Т_К2,

где ;

ω_ПР2=ω_K2-2ω_Г2 - вторая промежуточная (разностная) частота;

ϕ_ПР13=ϕ_K2-ϕ_Г2.

Напряжение u_ПР14(t) с выхода усилителя 20 второй промежуточной частоты поступает на входы фазовращателей 21 на -90° и 27 на +90°, на выходе которых образуются следующие напряжения:

U_ПР15(t)=U_ПР13cos[ω_ПР2t+ϕ_K4(t)+ϕ_ПР13-90°-90°]=-U_ПР13cos[ω_ПР2t+ϕ_К4(t)+ϕ_ПР13],

u_ПР16(t)=u_ПР13cos[ω_ПР2t+ϕ_K4(t)+ϕ_ПР13-90°+90°]=U_ПР13cos[ω_ПР2t+ϕ_K4(t)+ϕ_ПР13].

Напряжения u_ПР13(t) и u_ПР15(t), поступающие на два входа сумматора 22, на выходе компенсируются.

Напряжения u_ПР13(t) и u_ПР16(t) поступают на два входа сумматора 28, на выходе которого образуется четвертое суммарное напряжение

u_Σ4(t)=U_Σ4cos[ω_ПР2t+ϕ_K4(t)+ϕ_ПР13], 0≤t≤Т_К2,

где U_Σ4=2U_ПР13,

которое поступает на второй вход второго перемножителя 29, на первый вход которого подается принимаемый шумоподобный сигнал u_K2(t) с выхода второго усилителя 12 мощности. На выходе перемножителя 29 образуется гармоническое напряжение

u₄(t)=U₄cos(2ω_Г2t+ϕ_Г2), 0≤t≤T_K2,

где ,

которое выделяется четвертым узкополосным фильтром 42, детектируется четвертым амплитудным детектором 43 и поступает на управляющий вход ключа 44, открывая его. При этом суммарное напряжение u_Σ4(t) с выхода сумматора 28 через открытый ключ 44 поступает на вход клипера 45, где оно клиппируется и записывается в четвертое буферное запоминающее устройство 46. Регистрация синхронизируется стандартом 1 частоты и времени. Затем определяют временную задержку прихода одного и того же шумоподобного сигнала на частоте ω_К2 в первый А и пятый Е пункты синхронизации методом корреляционной обработки зарегистрированных сигналов, по величине которой производят сличение шкал времени.

Для выделения характерных ионосферных возмущений ряда ПЭС подвергают процедуре специальной фильтрации в диапазоне периодов, соответствующих масштабу возмущения.

Для этого напряжения с выхода ключей 26 и 44, 26 и 32, 26 и 38 поступают на входы блоков 48.1, 48.2 и 48.3 обработки сигналов, где анализируются данные о полном электронном содержании в ионосфере Земли. В блоках 49.1, 49.2 и 49.3 формируются временные ряды полного электронного содержания, соответствующие отклики ионосферы на воздействие источника ионосферного возмущения.

Для каждой пары проверяемых значений (α, v) формируется диаграмма направленности приемной системы и соответствующим образом ориентируется в фазовом пространстве [α, v], за счет синфазного суммирования в сумматоре 50 отдельных рядов ΔY_c(t) приемной системы

где p - количество антенн приемной системы,

временной сдвиг τ_i определяется как разность времени t_j, j-го отсчета i-го суммарного ряда ПЭС и времени t₀ регистрации ионосферного возмущения центральной антенной приемной системы τ_i=t_j-t₆, и выбирается исходя из минимизации выражения, описывающего динамику распространения возмущения

где Ар, - расстояние, пройденное фронтом волны между i-м и центральным элементом приемной системы.

Для протяженных приемных систем расстояние Δр_i рассчитывается с учетом кривизны Земли. С этой целью в заданном направлении α прихода волны ионосферного возмущения на высоте h_max задается удаленный точечный источник (обозначен точкой Е на фиг. 5), который будет являться полюсом ортодромической системы координат, экватор которой (сильная жирная линия на фиг. 5) проходит через центральный элемент приемной системы (точка А на фиг. 5). Тогда фронт волны, распространяющейся от удаленного точечного источника и проходящий через i-й элемент приемной системы (точка В на фиг. 5), будет представлять собой широтный круг (жирная прерывистая линия), параллельный экватору полученной ортодромической системы. Такая модель соответствует плоской волне ионосферного возмущения, распространяющегося на сфере Земли.

Геометрические координаты (Х_с, Y_c, Z_c) удаленного источника ионосферного возмущения определяется с использованием правил сферической тригонометрии. При этом рассматривается сферический треугольник, вершиной А которого является центральный элемент приемной системы с известными координатами (Х_o, Y_o, Z_o). Вершиной С этого треугольника является северный полюс геоцентрической системы координат (О, О, R+h_max), где R - радиус Земли. Необходимо определить координаты третьей вершины Е, которая и будет являться удаленным источником. Чтобы удаленный источник Е являлся полюсом ортодромической системы координат, угловой размер стороны АЕ сферического треугольника задается равным π/2. В полученном сферическом треугольнике известны две стороны АС и АЕ, а также угол между ними <LCAE=α, что является типовой задачей сферического треугольника. С использованием теоремы косинусов сторон сферического треугольника определяется третья сторона и координаты (Х_с, Y_c, Z_c) удаленного источника Е.

Решение о правильности проверяемой системы принимается при превышении суммарным сигналом заданного порогового уровня в пороговом блоке 51. При этом считается, что обнаружено ионосферное возмущение, а составляющим значения α и v, определяемые в компьютере 52, для которых суммарный сигнал приемной системы превысил пороговое значение, считаются оценками направления прихода и фазовой скорости распространения обнаруженного ионосферного возмущения.

Способ синхронизации часов позволяет:

- достичь предельной точности измерений (около ±0,1 нс) с помощью РСДБ техники и техники ретрансляции, которая уже широко используется на практике;

- формировать необходимые для проведения измерения СВЧ-сигналы на наземных пунктах, что дает возможность постепенно наращивать точность измерений за счет оптимизации структуры сигнала и усовершенствования наземной техники регистрации без вмешательства в бортовую аппаратуру ИСЗ;

- повысить оперативность измерений, т.е. довести интервал времени от начала измерений до получения результатов вплоть до нескольких десятков секунд (практически до времени корреляционной обработки сигналов);

- избежать установки на борту ИСЗ высокостабильных хранителей времени и измерителей временных интервалов, ограничить бортовую аппаратуру только системой фазостабильной ретрансляции СВЧ-сигналов.

Таким образом, предлагаемые способ и устройство по сравнению с прототипами и другими техническими решениями аналогичного назначения обеспечивают определение скорости распространения и направление прихода ионосферного возмущения, вызванного различными дестабилизирующими факторами, за счет восстановления пространственного распределения полного электронного содержания по данным радиопросвечивания атмосферы ретранслированными сигналами.

Тем самым функциональные возможности известных технических решений расширены.