Основные достижения и направления развития вторичного эталона времени и частоты ВЭТ1-5

Основные достижения и направления развития вторичного эталона времени и частоты ВЭТ1-5

Вторичный эталон ВЭТ1-5 является средством высокоточного хранения размеров единиц времени и частоты, а также шкалы времени UTC(SU) первичного эталона с суммарной погрешностью, не превышающей ± 2 *10-14 по частоте и ± 80 нс по шкале времени (паспортные характеристики). Эталон применяется для передачи размеров единиц времени и частоты и шкалы времени первичного эталона UTC(SU) рабочим эталонам и рабочим средствам измерений, прежде всего, восточных регионов страны. Вторичный эталон времени и частоты ВЭТ1-5 является одним из элементов группового эталона ГСВЧ, хранители времени и частоты которого используются при формировании групповой шкалы системы ГСВЧ.

Ведение вторичного эталона в системе ГСВЧ с указанными выше метрологическими характеристиками осуществляется на базе сложных технических и структурно взаимосвязанных аппаратно-программных комплексов.

Основным аппаратурно-программным комплексом вторичного эталона ВЭТ1-5 является аппаратура хранения размеров единиц частоты и времени. В настоящее время эта аппаратура состоит из шести водородных стандартов частоты и времени типа Ч1-75А (четыре прибора), Ч1-70М (один прибор), Ч1-70 (один прибор) с системами автоматической настройки резонаторов. Лучшие приборы этого комплекса характеризуются суточной нестабильностью менее 1.10-15.

Не менее важными аппаратно-программными комплексами, образующими в целом структуру, именуемую вторичный эталон времени и частоты, являются:

- система внутренних сличений эталона,

- система внешних сличений эталона,

- система формирования сигналов физических шкал времени,

- управляющие программные средства систем внутренних и внешних сличений,

- алгоритмы и программные средства, используемые для формирования аналитических и физических шкал времени шкал времени эталона,

- система буферизации и размножения сигналов времени и частоты,

- аппаратура и программные средства системы информационного обмена в рамках локальной вычислительной сети, а также внешний FTP-сервер,

- аппаратурный комплекс системы жизнеобеспечения эталона ВЭТ 1-5.

Выполнение совокупности работ во ведению службы времени и частоты вторичного эталона позволило обеспечить в г. г:

- хранение размеров единиц времени и частоты и шкалы координированного времени UTC(Im) вторичного эталона ВЭТ1-5, согласованных с размерами единиц времени и частоты и со шкалой времени UTC(SU) первичного эталона с суммарной погрешность не более ± 1х10 -14. Среднесуточная разность шкал времени [UTC(SU) - UTC(Im)] не превышала 20 нс,

-формирование автономной (атомной) системы TA(Im) с нестабильностью хранения размеров единиц частоты и времени не более 1х10-14 ,

- формирование и хранение рабочей шкалы времени Т(Im. РЧ) со среднесуточной разностью шкал времени [UTC(Im) – Т(Im. РЧ)], не превышающей 20 нс,

- проведение регулярных сравнений размеров единиц времени и частоты, хранимых вторичным эталоном, и шкалы времени UTC(Im) с размерами единиц, воспроизводимых ГЭВЧ, и шкалой времени UTC(SU) с использованием калиброванных приемников TTS-3 со случайной погрешностью не более (5-10) нс на интервале τ = 1 суткам,

- определение относительно шкалы UTC(Im) временного положения системных шкал GPSt/GLOt, передаваемых (поддерживаемых) навигационными системами GPS/ ГЛОНАСС, со случайной погрешностью менее 5 нс с использованием калиброванных приемников TTS-3 и Lexon (резервный).

- оперативную передачу в ГМЦ ГСВЧ, региональным и другим заинтересованным пользователям метрологической информации об эталоне и результатах контроля передач ЭСЧВ в виде информационных файлов согласованного содержания и формата.

Оперативная информационная связь службы времени и частоты вторичного эталона с объектами системы ГСВЧ осуществлялась круглосуточно по телефону (региональные потребители), по электронной почте e-mail: *****@, а также с использованием сервера ftp.imvp.ru .

Метрологические параметры эталона оценивались по результатам регулярных сличений шкал времени UTC(SU) и UTC(Im) по линиям связи, основанным на приемах сигналов GNSS GPS/ГЛОНАСС посредством калиброванных временных (специализированных) приемников TTS-3, установленных в службах времени SU и Им.

Относительная дифференциальная калибровка приемника эталона TTS-3 № 000 была выполнена в 2009 году. В соответствующих официальных документах (сертификате) отражены результаты калибровки приемника при работе по коду L1C, хотя временные приемники типа TTS-3 производят обработку по кодовым измерениям на частотах L1P, L2P, а также на аналитически сформированном коде L3P. Таким образом, в процессе работы приемника формируются временные файлы в формате GGTTF по четырем информационным потокам для каждой системы. Известно также, что определенные при калибровке внутренние задержки (INT DLY) по каждому информационному потоку отличаются. К сожалению, конфигурационный файл приемника TTS-3, используемый при обработке в реальном времени, программно предусматривает одну позицию для ввода только одного значения INT DLY.

В г. г. для определения разности шкал времени эталонов использовались измерения по коду L1C GNSS GPS/ГЛОНАСС. Поэтому, в соответствующую позицию конфигурационного файла приемников TTS-3 были введены значения INT DLY для работы по коду L1C.

В системе ГСВЧ в качестве основного метода обработки измерений для сравнения шкал времени UTC(SU), UTC(Im) был выбран метод «common view». Как известно, суть этого метода заключается в использовании для сравнения удаленных шкал времени результатов, полученных по одному и тому же НКА и в одно и то же время. Полагалось, что при формировании разностных результатов для сравнения разнесенных временных шкал большинство погрешностей, связанных, в том числе, с погрешностями определения внутренних задержек приемников, автоматически будут исключены. Однако, это далеко не так, особенно при больших базах разнесения шкал и при «плохом» сведении НКА навигационной системы (это относится, прежде всего, к системе ГЛОНАСС). Другими словами, классический вариант метода «common view» для сличения эталонов при больших базах вряд ли применим. Поэтому, в службе времени вторичного эталона для сравнения шкал применялся также метод «all in view».

В первом случае в качестве исходных данных использовались результаты сравнения шкал времен по всем спутникам (бортам) ГНСС, полученным в службах времени ГЭВЧ и ВЭ. Эти данные выставляются службой времени вторичного эталона на сервер ftp.imvp.ru в папку «links/GNSS/UTC(Im)-GNSS» в виде объединенного GPS&GLONASS файла формата CGGTTS версии V02 с именами UTC(Im)*****drt. dat, UTC(Im)*****def. dat, где ***** - последняя дата вхождения в файл. Аналогичные данные выставляются на сервер ftp. ***** службой времени ГЭВЧ. Регулярность обмена данными – дважды в неделю, в случае необходимости – ежедневно.

Для обработки выбирались приемы одних и тех же НКА, выполненные в одно и то же время на обоих пунктах наблюдения.

Во втором случае в качестве исходных данных использовались результаты контроля системных шкал GLOt и GPSt относительно UTC(SU) и UTC(Im), полученные усреднением на суточном интервале всех наблюдаемых НКА навигационных систем.

Для уменьшения случайной погрешности результаты определения разности шкал времени усреднялись на 5-суточных интервалах с серединой, приходящиеся на даты MJD, оканчивающиеся на 4 и 9 (стандартные интервалы, рекомендованные BIPM).

В нижеследующей таблице приведены сводные данные по оценкам случайной погрешности сравнения шкал времени (база порядка 5000 км) по сигналам ГЛОНАСС/GPS при усреднении на пятисуточных интервалах.

	L1C	L3P	L1C	L3P	L1C	L1С
	GPS	GPS	ГЛОНАСС	ГЛОНАСС	GPS	ГЛОНАСС
	« c o m m o n v i e w »	«a l l in v i e w »
СКО	± 6,4 нс	± 2,6 нс	± 15,0 нс	± 16,5 нс	± 1,5 нс	± 1,6 нс

Анализ результатов позволяет сделать следующие выводы:

- случайная погрешность сличения шкал времени, полученная при обработке сигналов GPS по методу «common view» при усреднении данных на стандартных 5-суточных интервалах, оценивается значениями ± 6,4 нс (L1C) и ± 2,6 нс (L3P),

- случайная погрешность сличения шкал времени, полученная при обработке сигналов ГЛОНАСС по методу «common view» при усреднении данных на стандартных 5-суточных интервалах, оценивается значениями ± 15,0 нс (L1C) и ± 16,5 нс (L3P),

- случайная погрешность сличения шкал времени при использовании для обработки результатов, полученных по методу «all in view», при усреднении данных на стандартных 5-суточных интервалах, не превышает ± 1,6 нс (L1C), независимо от используемой GNSS.

На рис.1 показаны среднесуточные результаты сравнения шкал времени, полученные по системе GPS (L1C) с использованием метода «all in view». Случайная погрешность определения среднесуточных разностей шкал времени по системе GPS при этом оценивается величиной порядка ±(4-6) нс (количество усредняемых измерений порядка 800). Аналогичные результаты получены по системе ГЛОНАСС. Но наиболее существенным является отсутствие систематической составляющей в сличениях шкал времени посредством GNSS ГЛОНАСС и GPS.

Рисунок 1 – Разность шкал времени [UTC(SU)-UTC(Im)], полученная по GPS

На рис.2 приведены графики определения разности шкал времени эталонов, полученные по методу «common view», полученные по сигналам ГЛОНАСС и GPS по кодам L1C и L3P.

Анализ показал, что при достаточно близких оценках случайных погрешностях сличений шкал времени (порядка 2нс на 5-суточных интервалах усреднения, интервал наблюдения – 1 год) по различным информационным потокам данных, оценки систематических составляющих весьма существенно отличаются (в пределах порядка 20 нс). Следует сделать вывод, что применение системы ГЛОНАСС для сличения шкал времени удаленных эталонов методом «common view» вряд ли целесообразно. В то же время применение метода «all in view» при усреднении на суточных интервалах дает хорошо сходящиеся оценки как по системе GPS, так и по ГЛОНАСС.

Наиболее значимым направлением в развитии ГСВЧ является организация на базе пунктов ГСВЧ системы высокоточного метрологического контроля и мониторинга координатно-временных полей GNSS, включая создание и развитие информационно-телекоммуникационной системы сбора и передачи данных в реальном времени в центр обработки и управления ГЛОНАСС, а также в единый центр ОПВЗ ГСВЧ.

Вторичный эталон времени и частоты ВЭТ1-5, расположенный в г. Иркутске, безусловно, один из таких пунктов системы ГСВЧ, привлекательный как в силу своего местоположения, так и по техническим и метрологическим возможностям.

История развития Иркутской службы времени берет свое начало 1 948 году, когда при астрономической лаборатории была создана служба атомного времени на базе молекулярного и была организована передача эталонных сигналов времени и частоты посредством для обеспечения единства измерения времени и частоты восточных регионов страны.

В настоящее время вторичный эталон ВЭТ1-5 располагает производственными площадями порядка 1000 кв. м., что позволяет без нарушения регламента текущих работ по ГСВЧ подготовить помещения, удовлетворяющие жестким требованиям по жизнеобеспечению и комплексированию технических средств, необходимых для размещения оборудования, требуемого для развития эталона и создания независимого регионального центра круглосуточного мониторинга координатно-временных полей GNSS и прежде всего ГЛОНАСС.

Основные задачи подобного центра применительно к проблемам высокоточной синхронизации вторичного эталона с первичным эталоном:

- создание и метрологическое сопровождение системы высокоточного контроля шкал времени БИНС (бортовых источников навигационных сигналов) и системных шкал GNSS, организация оперативной передачи информационных потоков в центры обработки и анализа данных, включая наземный комплекс управления ГЛОНАСС,

- создание системы (алгоритмы, программы) для подготовки и передачи временной информации в единый центр обработки для формирования групповой шкалы ГСВЧ с целью повышения точности, стабильности и надежности системной шкалы ГЛОНАСС,

- разработка методик и выполнение комплекса работ по калибровке приемных устройств сигналов GNSS с целью снижения систематической погрешности временных сличений по сигналам GNSS, в том числе по сигналам ГЛОНАСС,

Отдельные элементы перечисленных выше направлений отрабатывались в последние годы в процессе выполнения постоянной метрологической работы по ведению вторичного эталона ВЭТ1-5, особенно в части, касающейся выполнения все более возрастающих метрологических требований по точности согласования размеров единиц времени и частоты и шкалы времени системы UTC(Им) с размерами единиц и шкалой времени системы UTC(SU) первичного эталона.

Так, на рис.3 показана разность результатов контроля GPSt, полученная посредством приемника TTS-3 при обработке измерений по кодам L1C и L3P.

Рисунок 3 – Разность результатов контроля GPSt, полученных посредством приемника TTS-3 при обработке измерений по кодам L1C и L3P за г. г.

Видно, что в г. г. средние значения отклонений системной шкалы GPSt, определенные по кодам L1C и L3P, отличались на 12,9 нс при СКО ≈ ± 2,8 нс. В течение рассматриваемого интервала средняя разность менялась в пределах 16 нс.

Напомним, что принципиальное отличие этих двух информационных потоков исходных данных заключается в методики исключения из измерений ионосферной задержки. При работе по коду L1C поправка за ионосферу рассчитывается по модели, параметры которой передаются в навигационном сообщении, в то время как при работе по коду L3P ионосферная задержка автоматически исключается при формировании кода L3P путем комбинирования кодовых измерений, полученных на двух рабочих частотах навигационной системы GPS.

Отметим, что при вторичном эталоне времени и частоты ВЭТ1-5 независимая служба мониторинга частотно-временных полей GNSS существует примерно с 1980 года - ГЛОНАСС и с 1995 года - GPS. В 1995 впервые во вторичном эталоне была разработана, технически реализована и внедрена в постоянную работу по ГСВЧ технология использования геодезических приемников сигналов GNSS для временных сличений. Для этих целей первоначально использовался геодезический GPS-приемник SNR-8000 TurboRogue, установленный на расстоянии примерно 650 м от эталона и имеющего статус станции наблюдения IGS. В дальнейшем на той же площадке были установлены еще несколько геодезических приемников сигналов GNSS, задействованных в работах по синхронизации вторичного эталона с ГЭВЧ.

В настоящее время для целей высокоточных сличений эталона используются два приемных устройства – временной приемник TTS-3 и геодезический приемник Lexon-GGGD. Оба приемника установлены на крыше основного корпуса эталона. Схема подключения этих приемников к измерительной аппаратуре вторичного эталона показана на рис.4.

В заключение рассмотрим точностные возможности геодезического приемника Lexon-GGGD, используемого нами в качестве резервного для временных сличений эталонов. На рис.5 приведен график, показывающий разность в определении положения системной шкалы GPSt посредством временного приемника TTS-3 (L3P) и геодезического приемника Lexon (L3P).

Рисунок 5 – Разность результатов контроля GPSt, полученных посредством приемника TTS-3 и Lexon-GGGD ( по коду L3P)

Видно, что разность в определении отклонений системной шкалы GPSt, полученная посредством этих двух приемников, не превышает 18 нс на двухгодичном интервале наблюдения, случайная составляющая погрешности порядка ± 3,9 нс.

Учитывая особенности использования геодезических приемников для высокоточных временных сличений, во вторичном эталоне была:

- реализована технологическая схема подключения геодезического приемника Lexon к измерительным системам эталонного комплекса, показанная на рис.4,

- разработана методика обработки измерений, включая соответствующее программное обеспечение,

- выполнена относительная дифференциальная калибровка приемника Lexon.

СПисок использованных источников

1. P. Defraigne, C. Bruyninx, J. Clarke, J. Ray and K. Senior, 2001a, Time transfer to TAI using geodetic receivers, Proc. 15th EFTF, pp. 517-521.

2.Technical directives for standardization of GPS time receiver software (by the CCDS Group on GPS TimeTransfer Standards), July 1993.

5. G. Petit, Z. Jiang, P. Moussay, J. White, E. Powers, G. Dudle, P. Uhrich, 2001, Progresses in the calibration of geodetic like GPS receivers for accurate time comparisons, Proc. 15th EFTF, pp. 164-166.

6.G. Petit, Z. Jiang, J. White, R. Beard, E. Powers, Absolute Calibration of an Astech X12-T Receiver, GPS Solution, vol.4,pp.41

7. W. Lewandowski and L. Tisserand, Determination of differential time corrections for GPS time equipment located at the OP, HTB, AOS, KRISS, CRL, NIST, USNO and APL, Rapport BIPM-2004/06

9. , , Васильев времени и частоты ВС НИИФТРИ: метрологические характеристики и основные направления развития, Труды ВНИИФТРИ, выпуск 50(142), 2005