Радиометеорный метод синхронизации

Метеор - явление, происходящее в средней атмосфере Земли при вхождении мелких твердых космических частиц массой не менее 10 г и не более примерно 10 г. Явление это заключается в испарении частиц и возникновении плазменного образования - метеорного следа, образующегося в результате столкновения испарившихся метеорных атомов с молекулами и атомами газов земной атмосферы чаще всего в диапазоне высот от 110...105 до 85..80 км. В среднем метеорные следы имеют протяженность около 15 км с начальным радиусом примерно ..2 м. Исследование метеоров имеет многовековую историю; наиболее полно это изложено в [63].

Зеркальный характер отражения УКВ от метеорных следов позволяет использовать этот процесс для передачи информации и синхронизации шкал времени. Длина трассы такого радиоканала связи определяется высотой нахождения области метеорного следа, отражающей радиоволны на выбранной трассе, высотами антенн в пунктах и рефракцией радиоволн в тропосфере. Максимальная дальность составляет около 2000 км. Экспериментальные исследования метеорного канала показали, что сигналы практически не искажаются, если их ширина спектра не превышает (10...15) % от несущей частоты [64].

В основе радиометеорного метода синхронизации (РМС) лежат высокая стабильность и обратимость задержки сигналов при метеорном распространении радиоволн. РМС, наряду с методами, использующими ПКЧ, связные ИСЗ и СРНС (GPS, ГЛОНАСС), в настоящее время обеспечивает погрешности синхронизации порядка десятков наносекунд. При этом РМС превосходит указанные методы по таким показателям, как производительность измерений (на получение единичного измерения требуется время порядка 10 с), автономность, оперативность, экономичность, скрытность, устойчивость к ионосферным возмущениям. К недостаткам РМС следует отнести то, что этот метод является активным, то есть требует излучения радиосигналов в обоих пунктах измерений [65].

Работы по РМС были начаты в Харькове вскоре после первых публикаций по этому вопросу [66] и уже в начале 70-х годов были разработаны первые экспериментальные образцы аппаратуры типа МЕТКА-1 для МО СССР (см. табл. 2), а также проведены экспериментальные сеансы синхронизации в службе времени Госстандарта на трассе Харьков-Москва [67]. При этом были получены погрешности сравнения 0,2...0,3 мкс. Позднее к данному направлению подключился Казанский университет [68]. Головными организациями, представляющими интересы потребителей, явились: от Госстандарта - ВНИИФТРИ; от МО - ЛНИРТИ (ныне РИРВ).

В дальнейшем работы проводились в следующих направлениях:

· теоретические и экспериментальные исследования возможностей повышения точности РМС (исследования характеристик метеорного радиоканала синхронизации, анализ и синтез алгоритмов сравнения, поиск путей снижения сигнальных и аппаратурных погрешностей, совершенствование методик обработки результатов измерений) [69-72];

· разработка, изготовление и внедрение образцов аппаратуры для сравнения эталонов времени и частоты Госстандарта [73];

· разработка, изготовление и испытания макетов аппаратуры в рамках ОКР, проводимых в РИРВ [65, 74].

К настоящему времени разработано несколько поколений радиометеорной аппаратуры сравнения шкал времени - экспериментальные образцы и специальные макеты типа МЕТКА, созданные в Харькове; макеты аппаратуры типа КАМА, разработанные в Казани (КГУ); два поколения промышленной аппаратуры 17-Н-91 и 17-Н-830, сконструированные в С.-Петербурге (РИРВ) при участии ХТУРЭ [65, 74].

Основными потребителями аппаратуры являлись и являются службы времени Госстандарта СССР (ныне Госстандарта Украины и Госстандарта России) и других ведомств. Радиометеорная аппаратура сравнения используется для синхронизации пунктов Наземного автоматизированного комплекса управления космическими аппаратами (НАКУ КА) на территории Украины и решения ряда научных задач [65].

В службах времени Госстандартов Украины и России применяются не промышленные, а разработанные в Харькове экспериментальные образцы аппаратуры типа МЕТКА-6, отличающиеся более высокой точностью и меньшими габаритами. Основные характеристики комплексов МЕТКА-6 и других образцов метеорной аппаратуры синхронизации приведены в табл. 6. [73].

Метрологические характеристики аппаратуры типа МЕТКА-6 оценивались: в локационных режимах "сам на себя" и "друг на друга"; по независимым измерениям с применением ПКЧ и системы ГЛОНАСС, по рассеянию результатов наблюдений от среднего значения в каждом сеансе и от сеанса к сеансу на интервалах до месяца; при сравнении между собой результатов измерений в обоих пунктах. Диапазон изменений случайной погрешности и АСП, оцениваемой с помощью ПКЧ, не превышал 20 нс.

В 1993 г. разработан и внедрен в Киеве (УкрЦСМ), НАКУ КА и Харькове (ГНПО "Метрология") комплекс МЕТКА-6М, сопряженный с ЭВМ. В модернизированный вариант аппаратуры МЕТКА-6М включена ЭВМ типа IBM РС/АТ для оперативной статистической обработки результатов измерений, их хранения и вывода на печать.

С 1985 г. действует многопозиционная радиометеорная система синхронизации (МРМСС) эталонов Украины и России [15]. Структура МРМСС приведена на рис. 12. МРМСС оснащена разработанными в ХТУРЭ образцами аппаратуры типа МЕТКА-6,-6М. Аттестации ГСВЧ СССР в 1988 г. и ГСВЧ Украины в 1995 г. подтвердили высокие метрологические характеристики системы. В 1989 г. с применением возимого варианта аппаратуры проведены циклы синхронизации Познань-Киев-С.-Петербург и ст.Зеленчукская (РАТАН АН)-Харьков (ретрансляционный пункт)- С.-Петербург [65].

В настоящее время, в соответствии с Соглашением о сотрудничестве стран СНГ по обеспечению единого времени и частоты (Бишкек, 9.10.92г.), проводятся регулярные сравнения на трассе Харьков - Москва. Регулярно проводятся сеансы сравнения первичного (Харьков) и вторичных (Киев, Ужгород) эталонов Украины. Проведены экспериментальные сравнения в "треугольнике" Харьков - Киев - Москва (октябрь 1993г.) [76].

Таблица 6 – Основные характеристики образцов аппаратуры

Анализ современного состояния РМС [65, 71] показывает, что возможности метода далеко не исчерпаны. Это относится не только к точности синхронизации, но и к таким характеристикам, как помехозащищенность, скрытность, дополнительные функциональные возможности.

Особую актуальность имеет РМС для Украины, не располагающей собственными СРНС и предприятиями по выпуску ПКЧ. Поэтому вопросы совершенствования РМС включены в космическую программу Украины и Государственную программу создания и развития ГСВЧ Украины [10].

Рисунок 12 - Структура многопозиционной радиометеорной системы синхронизации