Система частотно временной синхронизации комплекса "Квазар-КВО"
Реализация точностных характеристик РСДБ комплекса "Квазар-КВО" в существенной
мере определяется характеристиками системы частотно-временной синхронизации
(СЧВС), обеспечивающей работу пространственно-разнесенных радиотелескопов с
независимыми гетеродинами как единой фазоизмерительной радиосистемы. Во время
геодезических РСДБ наблюдений, далекие космические объекты (квазары) наблюдаются
по единой программе одновременно на нескольких радиотелескопах, расположенных
на значительных расстояниях друг от друга (до нескольких тысяч километров).
Радиосигналы от объектов когерентно принимаются в заданном диапазоне частот
высокочувствительными радиоприемниками, преобразуются на промежуточную частоту, затем требуемая полоса частот вырезается видеоконверторами в зависимости от спектра принимаемого радиосигнала, оцифровывается и записывается на магнитную ленту, видеокассеты или жесткие диски вместе со шкалой времени пункта. Для каждого наблюдения коррелятор по записанной информации определяет задержку прибытия волны одинаковой фазы на разные радиотелескопы. Эта задержка используется для вычисления местоположения фазовых центров радиотелескопов друг относительно друга.
При наблюдениях космических радиоисточников в интерферометрическом режиме
на сверхдлинных базах необходимо решение проблем когерентности частотного
преобразования и одновременности регистрации сигналов на удаленных пунктах.
Для решения проблемы когерентности требуется обеспечение высокой стабильности
частоты гетеродинов и фазовой стабильности приемо-преобразующих трактов.
Все частотные преобразования приемного тракта на радиотелескопах привязываются
к опорному водородному стандарту частоты, обеспечение фазовой стабильности
достигается с помощью введения во входной тракт приемной системы импульсов
пикосекундной длительности и контроля задержек их гармонических составляющих,
выделяемых на выходе радиотракта. Шкала времени пунктов ведется также от
водородного стандарта. Для обеспечения одновременности регистрации сигналов
необходима предварительная синхронизация шкал времени с точностью до долей
микросекунд, что достигается использованием для привязки местной шкалы времени
сигналов спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.
Система частотно-временной синхронизации (СЧВС) комплекса "Квазар-КВО" решает следующие задачи:
- обеспечения когерентного преобразования (на интервалах до 1000 с) принимаемых радиосигналов в диапазоне радиочастот до 22ГГц на всех радиотелескопах комплекса к диапазону сигналов, регистрируемых на магнитную ленту или цифровые носители для последующей передачи в Центр управления, сбора и обработки данных;
- синхронизации моментов начала регистрации информации на наблюдательных пунктах с точностью не хуже 100 нс;
- обеспечения синхросигналами и кодовыми сигналами времени следующих систем комплекса: системы регистрации и передачи данных, автоматизированной системы контроля и управления радиотелескопом;
- хранения шкалы времени комплекса и синхронизации ее с национальной шкалой времени UTC(SU) и со шкалой эталона времени Министерства обороны России;
- обеспечения измерений и контроля фазовых характеристик приемо- преобразующих трактов.
Решение этих задач СЧВС обеспечивается средствами, решающие частные
частотно-временные задачи и объединенных по системному принципу в три
основные функциональные группы:
Хранитель времени и частоты располагается в помещении "эталонной";
средства временной привязки РСДБ наблюдении и наземная часть средств контроля фазовых характеристик располагаются
в помещении "операторской", на расстояниях не более 2 м от РСДБ терминала;
антенная часть средств контроля фазовых характеристик располагается в
надзеркальной кабине радиотелескопа, на расстоянии не более 0.5 м от
криогенного блока приемника.
Хранитель времени и частоты РСДБ комплекса "Квазар-КВО" обеспечивают формирование высокостабильных опорных сигналов времени и частоты, необходимых для синхронизации работы комплекса радиотехнических средств радиотелескопа
и, прежде всего, СВЧ гетеродинов, устройств регистрации и передачи информации.
Аппаратурный комплекс хранителя времени и частоты состоит из следующих основных подсистем:
- Водородные стандарты частоты
- Аппаратура внутренних и внешних сличений
- Средства обеспечения хранителя времени и частоты
- Распределение сигналов времени и частоты
- Средства формирования шкалы времени.
В группе водородных стандартов хранителя времени и частоты на основе
внутренних измерений выбирается стандарт, обладающий лучшими характеристиками.
Этот стандарт назначается основным (ведущим) и высокостабильный сигнал частотой
5 МГц с этого стандарта является опорным для всей системы частотно-временной
синхронизации.
В устройстве формирования местной шкалы времени (ШВ) происходит деление опорной
частоты 5 МГц до 1 Гц и осуществятся счет, и цифровая индикация текущего
времени в секундах, минутах, часах. Также реализуются выдача сигналов ШВ
потребителям в виде импульсов 1 pps и последовательного кода времени (КВ).
Синхронизация местной шкалы времени с UTC(SU) осуществляется с помощью
GPS/ГЛОНАСС приемника.
Система распределения сигналов размножает и доводит опорный сигнал 5 МГц и
сигналы времени (1 pps и КВ1) до аппаратуры потребителей, где они используются
для синхронизации частотно-временных преобразований.
Средства временной привязки (тайминга) РСДБ-наблюдений предназначены
для фиксации момента регистрации принимаемого сигнала в шкале всемирного
координированного времени UTC (Universal Time Coordinated). Термин "тайминг"
означает фиксацию момента события относительно начального момента, который
в данном случае задается секундным импульсом 1pps (1 pulse per second)
шкалы времени UTC.
При использовании в качестве оконечного устройства-регистрации (терминала)
системы сбора данных Mark 5B тайминг РСДБ- наблюдений осуществляется путем
измерения и занесения в log- файл на управляющий процессом наблюдений компьютер
(ЦКУР) значений временного интервала между импульсом 1pps шкалы UTC и импульсом
1 pps dot, где dot - сокращенное обозначение data observe time - времени
наблюдения данных. 1pps dot снимается с выхода DOTMON модуля ввода данных -
data input module (DIM) терминала Mark 5B. Перед началом наблюдений положение
этого импульса должно быть засинхронизировано по секундному импульсу 1pps clock
от местных часов пункта наблюдений (site clock) так, чтобы его смещение относительно
импульса 1pps шкалы UTC было допустимым для последующей обработки данных.
Это смещение, которое обозначается offset, (т.е. смещение или офсет) далее
в процессе наблюдений измеряется и записывается в log-файл, что является необходимым
условием успеха в обработке данных для получения интерференционного отклика.
Средства временной привязки РСДБ наблюдений состоят из следующих элементов:
- синхронометр Ч7-37, формирующий ШВ от водородного мазера
- GPS/ГЛОНАСС приемник производства РИРВ с управляющим компьютером, обеспечивающий привязку ШВ к UTC
- два время-интервальных счетчика НР53131А с интерфейсом GPIB, передающих измеренные счетчиками смещения 1 pps форматера и 1 pps синхрометра Ч7-37
относительно 1 pps приемника на центральный компьютер для регистрации моментов наблюдений.
Точность геодезических и астрометрических РСДБ наблюдений определяется
точностью абсолютного измерения разности фаз или задержки сигналов принятых
от радиоисточника на различных радиотелескопах. Поэтому приемно-регистрирующие
РСДБ системы, должны иметь стабильную фазу и задержку или быть тщательно
откалиброваны
.
Влияние эффекта задержки сигнала в атмосфере может быть уменьшено до уровня,
который соответствует точности калибровки инструментальной фазы и задержки
около 3 pс (соответствует 1 мм длины базы). Это достигается использованием
радиометра паров воды, измерением метеопараметров, проведением двухчастотных
наблюдений или проведением дифференциальных наблюдений двух близко расположенных
источников.
Изменение задержки и фазы сигнала в приемно-регистрирующей системе
радиотелескопа происходит в результате изменения температуры, атмосферного
давления, а также кабельных рассогласований и механических воздействий на
кабель при вращении радиотелескопа. Калибровка этих эффектов, учитывающая
случайные воздействия на электрическую длину кабеля, осуществляется системой
фазовой калибровки. Система фазовой калибровки, используемая на радиотелескопах
комплекса Квазар-КВО> позволяет контролировать фазовую стабильность
приемно-регистрирующего тракта с точностью 10 пс.
В состав средств контроля фазовых характеристик входят:
- Генератор пикосекундных импульсов (ГПИ),
формирует сигнал фазовой калибровки, представляющий собой серию калибровочных
спектральных линий с шагом 1 МГц с фазой привязанной к фазе опорного сигнала
5 МГц. Такой сигнал фазовой калибровки замешивается в полезный сигнал на входе
приемного устройства сразу после рупора антенны, и проходит через весь
приемно-регистрирующий тракт и осуществляет контроль фазовой стабильности
тракта. Термостат ГПИ поддерживает рабочую температуру в пределах 0.1 0С,
тем самым, обеспечивая фазовую стабильность выходных импульсов ГПИ. Блок
контроля и управления реализует функцию контроля и управления ГПИ от
центрального компьютера радиотелескопа
- Аппаратура контроля электрической длины кабеля предназначена для контроля
изменения задержки сигнала опорной частоты 5 МГц в кабеле, питающем генератор
импульсов пикосекундной длительности (кабеле снижения) в результате воздействия
внешних факторов, таких как движение антенны, изменение температуры воздуха и
атмосферного давления. Устройство контроля электрической длины кабеля питающего
ГПИ, состоит из двух модулей - нижнего (измерителя электрической длины кабеля), расположенного рядом с РСДБ терминалом и верхнего, совмещенного
с ГПИ, и расположенного в зеркальной кабине радиотелескопа. Измеритель электрической длины кабеля обеспечивает измерение фазы сигнала частотой
5 МГц прошедшего по кабелю снижения до ГПИ и обратно относительно опорного сигнала. Это достигается использованием дополнительного сигнала частотой 5 кГц,
который модулирует сигнал, возвращенный от ГПИ. Разность фаз переводится во временную область и регистрируется счетчиком, с интерфейсом GPIB для связи с компьютером.
 |
Функциональная схема СЧВС
аппаратура СЧВС выделена цветом
|
Основные технические характеристики системы частотно временной синхронизации
 |
Техническая характеристика |
Значение |
| 1. |
Частоты выходных опорных сигналов, МГц |
5 и 100 |
| 2. |
Нестабильность частоты опорных сигналов (среднеквадратическое относительное двухвыборочное отклонение частоты, СКДО) за 1000 с, не более |
5×10-15 |
| 3. |
Спектральная плотность мощности фазовых шумов опорного сигнала 5 МГц в одной боковой полосе (отстройка 100 Гц), не более, дБ/Гц |
130 |
| 4. |
Погрешность привязки шкал времени к UTC(SU), не более, нс |
100 |
| 5. |
Погрешность взаимной синхронизации ШВ обсерваторий комплекса "Квазар-КВО", не более, нс |
200 |
| 6. |
Погрешность формирования ШВ обсерватории, не более, нс |
0.5 |
| 7. |
Погрешность контроля фазовых задержек в радиочастотном тракте, не менее, пс |
10 |
| 8. |
Погрешность контроля электрической длины кабеля, пс |
5 |
| 9. |
Разрешающая способность измерителей интервалов времени, не менее, нс |
0.1 |
| 10. |
Погрешности измерения (среднеквадратичное значение)
разности частот при времени измерения 1000 с, не более |
5× 10-16 |
| 11. |
Режим контроля параметров и измерения характеристик |
автоматический, дистанционный |
| 12. |
Режим работы |
непрерывный |
| 13. |
Среднее время восстановления, не более ч |
1.5 |
| 14. |
Наработка на отказ, не менее ч. |
5000 |
