Многочисленная номенклатура аппаратуры потребителей космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, делится на нескольких основных групп:

­ спутниковую навигационную аппаратуру (СНА), предназначенную для определения координат местоположения и вектора скорости потребителя в глобальной системе координат и работающую в кодовом режиме;

­ спутниковую геодезическую аппаратуру (СГА), работающую в дифференциальном и относительном режимах с использованием как кодовых, так и фазовых измерений, и обеспечивающую высокоточные определения приращений координат между точками установки антенн приемников;

­ частотно_временную навигационную аппаратуру потребителя (НАП), предназначенную для частотно-временных и навигационных измерений и применяемую при определении координат, формировании высокостабильного синусоидального сигнала частотой 10 МГц и шкалы времени (ШВ), синхронизированной со ШВ UTC(SU) по радиосигналам навигационных космических аппаратов космических навигационных систем;

­ угломерную НАП, предназначенную для измерения текущих навигационных параметров по сигналам навигационных космических аппаратов космических навигационных систем и определения на их основе координат, скорости, углов пространственной ориентации;

­ специальную НАП, предназначенную для решения других специальных задач помимо определения координат местоположения.

На данный момент времени в сфере обороны и безопасности государства эксплуатируются следующие типы НАП, рисунок 1.

Рис. 1. НАП эксплуатируемые в сфере обороны и безопасности

Основные метрологические характеристики используемых НАП в сфере обороны и безопасности государства приведены в таблице 2.

Таблица 2 Основные метрологические характеристики НАП

Рис. 2. Пример поверки с использованием безэховой экранированной камеры

Помимо оценки погрешности определения координат местоположения и составляющих вектора скорости по сигналам ГНСС, в специализированных приемниках требуется определение инструментальной погрешности синхронизации внутренней шкалы времени к шкалам системного времени ГНСС и шкале координированного времени UTC(SU). Для проведения данного этапа поверки используется частотомер и стандарт частоты и времени, который выдает привязки секундных меток шкалы времени к необходимой шкале времени.

В угломерных НАП определяется так же погрешность измерения углов. Для определения данной погрешности зачастую используют углоповоротное устройство. Так же для данной операции можно использовать имитатор сигналов с возможностью моделирования одновременно нескольких материальных точек.

На сегодняшний момент времени наиболее перспективный метод поверки НАП является использование имитаторов навигационных систем.

2. Разработка метрологических и технических требований к составным частям навигационного эталонного комплекса специального назначения (вторичного эталона)

В настоящее время существует несколько эталонных метрологических комплексов для проведения работ в области обеспечения единства измерения:

­ Автоматизированное рабочее место поверки НАП К6-12, производства ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А.П. Горшкова»;

­ Комплекс навигационный метрологический специального назначения (КПА НАП), производства ЗАО «БИНКОС»;

­ Комплекс имитации СН-3805 спутниковых навигационных систем, производства ЗАО «КБ НАВИС».

Таблица 3 Основные метрологические и технические характеристики метрологических комплексов

Недостатком комплекса АРМ К6_12 и комплекса имитации СН-3805 в отличие от КПА НАП является отсутствие средств для оценки характеристик геодезической и угломерной НАП, применяемых в сфере обороны и безопасности государства.

Недостатком комплекса АРМ К6_12 и КПА НАП в отличие от комплекса имитации СН-3805 (за 1 сутки 4,0·10-¹⁵), является более низкая стабильность стандарта частоты (за 1 сутки 1,0·10-¹²).

Стабильность стандарта частоты, применяемая в комплексах КПА НАП и К6_12, составляет за 1 сутки 1,0·10-¹² на сегодняшний день это позволяет проводить поверку существующего парка навигационной, геодезической и угломерной НАП, но данная стабильность не может обеспечить частотно_временные НАП и планируемые к выпуску перспективные НАП. Проведенный анализ существующих эталонных комплексов позволяет сделать вывод, что существующие комплексы не могут обеспечить в полной мере как существующий парк НАП, так и перспективные НАП. Для расширения метрологического обеспечения существующих и перспективных НАП, наиболее эффективно будет выбрать для модернизации комплекс КПА НАП, так как только он уже имеет в своем составе средства для оценки характеристик угломерной и геодезической НАП.

3. Разработка структурных и функциональных схем эталона

В данной работе рассмотрена возможность модернизации КПА НАП, с целью расширения его поверочных возможностей.

3.1 Разработка состава эталона

Принцип работы КПА НАП основан на измерении экспериментально определяемых метрологических характеристик поверяемой НАП, и определение их соответствия паспортным характеристикам НАП.

Принцип определения погрешности измерения координат и составляющих вектора скорости НАП на неподвижном основании заключается в сравнении измеренных значений этих величин с известными координатами геодезического пункта и значениями (нулевыми) составляющих вектора скорости.

Принцип определения погрешности измерения координат и составляющих вектора скорости на неподвижном основании с использованием дифференциальных поправок, заключается в сравнении измеренных значений этих с известными координатами геодезического пункта и значениями (нулевыми) составляющего вектора скорости. При этом, если измерения проводятся в зоне дифференциальных поправок, и НАП обладает возможностью их приема, то используются реальные дифференциальные поправки. В противном случае измерения проводят с использованием имитатора сигналов CH-3803M, который воспроизводит «стоповый» сценарий (аппаратура неподвижна) с выдачей дифференциальных поправок.

Принцип определения погрешности измерения координат и составляющих вектора скорости в движении, заключается в сравнении измеренных значений координат и составляющих вектора скорости НАП (в отдельных точках траектории движения) с соответствующими значениями этих параметров, формируемыми имитатором сигналов CH-3803M.

Принцип определения погрешности измерения координат и составляющих вектора скорости в движении, с использованием дифференциальных поправок, заключается в сравнении измеренных значений координат и составляющих вектора скорости НАП (в отдельных точках траектории движения) с соответствующими значениями этих параметров, формируемыми имитатором сигналов CH-3803M, с учетом дифференциальной информации.

Принцип определения погрешности выдачи шкалы времени UTC (SU), на неподвижном основании, заключается в измерении временного сдвига между эталонной шкалой времени, формируемой приемником_компаратором и шкалой времени, формируемой НАП, измерителем интервалов времени CNT-90.

Принцип определения погрешности выдачи стандартных частот, заключается в частотном компарировании измеряемого сигнала с выхода НАП с эталонным сигналом приемника-компаратора.

Структурная схема КПА НАП приведена на рисунке 3.

Управление КПА НАП, обработка измерительной информации, оформление результатов поверки осуществляется устройством управления и обработки информации с помощью специального программного обеспечения (СПО) приборов, СПО главного модуля управления и СУБД Firebird.

В процессе эксплуатации КПА НАП работает в следующих основных режимах:

- проверка правильности функционирования КПА НАП;

- поверка НАП по программам автоматизированной поверки.

Рис. 3. Структурная схема КПА НАП: А1 - радиочастотный имитатор помех РИП-02 БКДП.464948.002; А2 - блок имитации СН-3803М ТДЦК.467877.006; А3 - приемник-компаратор VCH-320 ЯКУР.411147.001; А4 - измеритель интервалов времени CNT-90; А5 - источник бесперебойного питания Smart Winner 1500; А6 - восьмипортовый преобразователь МОХА Uport-1610-8; А7 - четырехпортовый разветвитель USB RovermateSokar; А8 - переходное устройство 1 БКДП.301412.001; А9 - переходное устройство 2 БКДП.301412.002; А10 - камера экранированная АПМА.442259.004; А11 - поверяемая НАП; А12 - устройство управления и обработки информации БКДП.468367.002; А13 - источник питания АКИП-1102; А14 - сетевой фильтр АТР-9103; А15 - двухчастотная спутниковая геодезическая аппаратура 14Ц828; А16 - тахеометр

Проверка правильности функционирования КПА НАП обеспечивается диагностированием входящих в КПА НАП приборов и проверкой их взаимодействия в составе КПА НАП. Поверка НАП осуществляется в диалоговом режиме. Устройство управления и обработки информации согласно программе выдает на дисплей указания для проведения соответствующих операций с поверяемой аппаратурой, оператор выполняет их, руководствуясь настоящим руководством и инструкцией поверки НАП. Устройство управления и обработки информации анализирует действия оператора и при неправильных действиях сообщает об этом на дисплей. Таким образом, практически исключается брак операции поверки по вине оператора.

3.2 Исследования технических и метрологических характеристик стандарта частоты и времени

В состав КПА НАП входит приемник компаратор VCH-320, который обеспечивает формирование опорных сигналов: 1 Гц, 5 МГц, 10 МГц (импульсные) и 5 МГц, 10 МГц (синусоидальные) со следующими параметрами:

- импульсный сигнал 1 Гц (шкала времени):

а) полярность положительная;

б) форма импульса - меандр;

в) напряжение «Лог.0» не более 0,8 В, напряжение «Лог.1» в пределах от 2,5 до 5В на нагрузке (50,0±0,3) Ом;

г) длительность импульса (10±5) мкс;

д) время нарастания переднего (синхронизирующего) фронта не более 15 нс;

- импульсные сигналы с частотами 5 и 10 МГц:

а) полярность положительная;

б) форма импульса - меандр;

в) напряжение «Лог.0» не более 0,4 В, напряжение «Лог.1» в пределах от 2,5 до 5 В на нагрузке (50,0±0,3) Ом;

- синусоидальные сигналы с частотами 5 и 10 МГц:

г) среднеквадратическое значение напряжения на нагрузке (50,0±0,3) Ом в пределах (1,0±0,2) В.

КПА НАП обеспечивает:

- определение относительной погрешности по частоте опорных генераторов НАП с использованием сигналов ГЛОНАСС и GPS;

- пределы допустимой относительной погрешности по частоте выходных сигналов 5 и 10 МГц (синусоидальных и импульсных):

а) ±2,0·10^-11 после установления рабочего режима на интервале времени наблюдения 2 ч;

б) ±7,0·10^-12 через 8 ч после установления рабочего режима на интервале времени наблюдения 8 ч;

в) ±1,0·10^-12 после 10 суток непрерывной работы на интервале времени наблюдения 24 ч.

Вносимая КПА НАП погрешность измерения относительного отклонения частоты не выходит за пределы:

- за интервал времени 1 с - ±1,0·10^-11;

- за интервал времени 1 ч - ±2,0·10^-12;

приемник компаратор из комплекта КПА НАП обеспечивает формирование шкалы времени, синхронизируемой со шкалой UTC (US), погрешностью синхронизации (с доверительной вероятностью 0,997) не более ±50 нс.

Принцип действия приемника-компаратора основан на измерении приращения (набега) разности фаз во временной области сигналов собственной шкалы времени, формируемой из опорной частоты встроенного генератора, и сигналов образцовых меток времени, формируемых по результатам приема и обработки сигналов ГНСС ГЛОНАСС и/или КНС GPS. Принцип действия представлен на рисунке 4.

Рис. 4. Схема структурная приемника-компаратора VCH-320

Сигналы ГНСС ГЛОНАСС и КНС GPS принимаются антенным блоком в диапазонах L1 и L2 и поступают на модуль радионавигационный приемоизмерительный (РНПИ) блока обработки сигналов ГЛОНАСС (БОС ГЛОНАСС). По результатам обработки принимаемых сигналов космических систем на основе данных решения навигационной задачи модуль РНПИ формирует образцовые метки времени 1 Гц РНПИ, передний фронт которых привязан к национальной шкале времени UTC (SU). Другая шкала времени формируется из сигнала частотой 10 МГц, воспроизводимого встроенным в прибор рубидиевым опорным генератором. Метки времени 1 Гц РНПИ используются для тактирования статистического процесса сравнения шкал времени, осуществляемого центральным процессором, и вычисления погрешности опорного Rb-генератора по частоте, а также погрешности синхронизации выходного сигнала 1 Гц к шкале координированного времени UTC (SU). Результаты вычислений используются для периодической коррекции частоты опорного Rb-генератора и синхронизации выходного сигнала 1 Гц к шкале UTC (SU) в заданных пределах с шагом 10 нс.

На сегодняшний день существует ряд частотно-временных НАП, используемых в сфере обороны и безопасности государства (ОСП-1, ОСП-2), у которых предел допускаемого среднего квадратического относительного двухвыборочного отклонения частоты выходного сигнала 10 МГц в режиме «Нормальная работа» на интервале времени измерений 100 с составляет 2,0·10^-12. Для возможности осуществления поверки данных средств измерений комплексом КПА НАП, необходим стандарт частоты и времени с более высокой стабильностью внутреннего опорного генератора.

Существующие водородные стандарты частоты и времени можно разделить на два основных типа: пассивные и активные.

В основе принципа действия пассивных водородных стандартов частоты и времени лежит автоподстройка частоты кварцевого генератора к частоте линии излучения атомов водорода дискриминатора, рисунок 5. При этом влияние медленных флуктуаций частоты резонатора дискриминатора на линию излучения устраняется путем подстройки частоты резонатора к частоте сигнала кварцевого генератора. Для индикации спектральной линии водорода в дискриминаторе и осуществления автоподстройки частоты в резонатор дискриминатора вводится частотно-модулированный сигнал возбуждения, который формируется в процессоре автоматической подстройки частоты (АПЧ). Частотно-модулированный сигнал возбуждения формируется путем частотной модуляции сигнала 20,405 МГц частотой 12,5 кГц, последующим смешиванием этого сигнала с 14-ой гармоникой сигнала 100 МГц. Сигнал возбуждения с частотой 1420,405 МГц выделяется непосредственно в резонаторе дискриминатора. При взаимодействии с атомной линией и резонатором дискриминатора частотно-модулированный сигнал преобразуется в амплитудно-модулированный. Амплитуда и фаза огибающей этого сигнала несет информацию об отклонении частоты сигнала кварцевого генератора от частоты линии излучения атомов водорода и об отклонении частоты резонатора от частоты кварцевого генератора. С выхода дискриминатора амплитудно-модулированный сигнал поступает в приемник, где происходит его усиление, преобразование и детектирование. С выхода приемника сигнал рассогласования поступает в процессор АПЧ, который обрабатывает этот сигнал и вырабатывает сигналы управления частотой кварцевого генератора, расположенного в формирователе опорных сигналов, сверх высокочастотный (СВЧ) резонатора дискриминатора и осуществляет автоматическое слежение (автоподстройку) их частот по частоте спектральной линии атомов водорода.

Рис. 5. Структурная схема пассивного водородного стандарта частоты и времени

К преимуществам водородных стандартов частоты и времени пассивного типа можно отнести малую массу, меньшие габаритные характеристики, а так же работу в более жестких условиях по сравнению со стандартами частоты и времени активного типа.

Рис. 6. Водородный мазер

Принцип действия активного водородного стандарта частоты и времени основан на фазовой синхронизации сигнала локального кварцевого генератора по сигналу, генерируемому водородным мазером. Основой блока является водородный мазер, где осуществляется генерация высокостабильного сигнала. Мазер состоит из следующих основных элементов:

­ СВЧ резонатора с накопительной колбой. Частота резонатора изменяется варикапом, на который подается управляющее напряжение, формируемое цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) блока водородного генератора (ВГ).

­ системы формирования пучка возбужденных атомов водорода, осуществляющих излучение сигнала в СВЧ резонаторе.

Пучок атомов водорода формируется следующим образом. В качестве источника водорода используется интерметаллическое соединение (LaNi5H)x, при нагревании которого выделяется молекулярный водород, поступающий в очиститель. Очиститель водорода, представляет собой тонкостенную никелевую трубку, свернутую в спираль. Регулирование проницаемости трубки осуществляется путем ее нагрева электрическим током. После очистителя молекулярный водород подвергается диссоциации в разрядной колбе. Электрический разряд в колбе возбуждается высокочастотным генератором (ГВЧ). Из разрядной колбы атомы водорода через коллиматор попадают в поле квадрупольного магнита, осуществляющего сортировку атомов водорода по энергетическим состояниям. Отсортированные возбужденные атомы водорода инжектируются в накопительную колбу, находящуюся в центре СВЧ резонатора. На колбу накладывается слабое продольное магнитное поле. Это поле обеспечивает расщепление сверхтонкой структуры основного состояния атома водорода, возникающей в результате взаимодействия спина электрона и спина ядра. В накопительной колбе происходит вынужденное излучение атомов водорода. Полученный сигнал через петлю связи, ферритовый вентиль и коаксиальный разъем подается на малошумящий предусилитель системы фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ). Для стабилизации пучка атомов водорода используется система автоподстройки давления молекулярного водорода в разрядной колбе, где в качестве датчика используется терморезисторный вакуумметр Пирани. Для устранения зависимости частоты излучаемого сигнала от внешних магнитных полей и температуры используются системы термостатирования и магнитного экранирования, внутрь которых помещается СВЧ резонатор мазера.

На сегодняшний день существующий парк стандартов частоты и времени позволил выявить следующие доступные модели:

­ Стандарт Частоты и Времени Водородный пассивного типа Ч1_1007, производства компании ЗАО «Время-Ч»;

­ Стандарт частоты и времени водородный активного типа Ч1_1003М, производства компании ЗАО «Время-Ч»;

­ Стандарт частоты и времени водородный Ч1-75А, производства компании ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А.П. Горшкова»;

­ Стандарт частоты и времени водородный Ч1-76А, производства компании ОАО «ФНПЦ «ННИПИ «Кварц» имени А.П. Горшкова».

В таблице 4 представлены сравнительные характеристики стандартов частоты и времени.

Таблица 4 Основные метрологические и технические характеристики стандартов частоты и времени