Перспективы применения квантовых стандартов частоты в системах GPS-Глонасс Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»
Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Синякин А.К., Кошелев А.В., Матуско В.Н.
The analysis of the basic technical characteristics of quantum frequency standards in satellite navigating systems GPS and GLONASS are executed.
Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Синякин А.К., Кошелев А.В., Матуско В.Н.
PERSPECTIVES OF THE USING OF QUANTUM FREQUENCY STANDARDS IN SYSTEMS GPS-GLONASS
The analysis of the basic technical characteristics of quantum frequency standards in satellite navigating systems GPS and GLONASS are executed.
Текст научной работы на тему «Перспективы применения квантовых стандартов частоты в системах GPS-Глонасс»
А.К. Синякин, А.В. Кошелев, В.Н. Матуско СГГА, Новосибирск
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ КВАНТОВЫХ СТАНДАРТОВ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМАХ GPS-ГЛОНАСС
A.K. Sinyakin, A.V. Koshelev, V.N. Matusko
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo St., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
PERSPECTIVES OF THE USING OF QUANTUM FREQUENCY STANDARDS IN SYSTEMS GPS-GLONASS
The analysis of the basic technical characteristics of quantum frequency standards in satellite navigating systems GPS and GLONASS are executed.
В современных спутниковых радионавигационных системах (GPS-ГЛОНАСС) космические аппараты представляют собой автономные радиотехнические станции. Источниками формирования сигналов в этих станциях являются квантовые стандарты частоты (КСЧ). Эти генераторы обладают высокой стабильностью частот, случайные относительные погрешности оцениваются величинами 10-13 - 10-14. Каждый спутник содержит преимущественно цезиевые квантовые датчики частот, в наземных станциях используются водородные стандарты частоты.
Цезиевый стандарт частоты представляет собой атомно-лучевую трубку, функциональное устройство которой представлено на рис. 1 [1].
Рис. 1. Схема атомно-лучевой трубки: 1 - источник пучка; 2 и 4 отклоняющие магниты неоднородных полей Н1 и Н; 3 - объемный резонатор; 5 -вольфрамовая проволока; 6 - коллектор; 7 - измерительный прибор; 8 -область однородного магнитного поля
Основным элементом в схеме является объемный резонатор 3. Именно в его электромагнитном поле формируется переход между двумя
подуровнями атомов цезия с частотой 9 192 631 770,0 Гц. Относительная
нестабильность частоты составляет 1-10" .
Водородный генератор работает на пучках атомов водорода. Атомарный водород получают при помощи электрического разряда, приводящего к распаду молекул водорода. Атомы водорода подобно атомам цезия обладают магнитными моментами. Поэтому работа водородного генератора основывается на формировании частоты перехода между магнитными подуровнями атомов водорода. Схема устройства водородного генератора приведена на рис. 2.
Излучаемые д. волны
К вакуумному насосу
Рис. 2. Устройство водородного генератора: 1 - источник пучка; 2 -сортирующая магнитная система; 3 - резонатор; 4 - накопительная колба
В объемном резонаторе генератора формируется излучательный переход атомов водорода с частотой 1 420 405 751,7880 Гц. Относительная нестабильность частоты составляет МО"14 Гц.
Колебания, сформированные на выходе квантовых стандартов частот, обладают малой мощностью - 10-10 Вт. Частота колебаний имеет высокостабильное, но жестко фиксированное значение, которое необходимо изменить при использовании в радиотехнических системах. Для обеспечения перестройки частоты квантового стандарта на заданную величину применяют схемы автоподстройки частоты. Схема обеспечивает увеличение мощности колебаний с сохранением стабильности частоты квантового стандарта. Преобразование частоты определяется коэффициентом преобразования
1/( п +1) . Вид упрощенной функциональной схемы с автоподстройкой частоты приведен на рис. 3.
Рис. 3. Схема фазовой автоподстройки частоты: КСЧ - квантовый стандарт частоты; СМ - смеситель; УМЧ - умножитель частоты; КГ - кварцевый генератор; УПЧ - усилитель промежуточной частоты; ФД - фазовый детектор; ЦУЧ - цепь управления частотой
Схема автоподстройки частоты обеспечивает формирование опорных колебаний на выходе бортового хронизатора для:
- GPS с частотой 10,23 МГц;
- ГЛОНАСС с частотой 5,11 МГц.
На основе этих колебаний формируются несущие сигналы, сигналы генераторов Р- и С/А кодов, сигналы служебной информации космических аппаратов. Кратковременная нестабильность частот на выходе хронизатора
поддерживается на уровне 5-10" , но квантовые стандарты частот обладают систематическими уходами частот от номинала, что создает проблемы в отклонении бортовой шкалы времени спутника от системного времени.
Сдвиг бортовой шкалы в течении суток для цезиевого стандарта составляет 25,4 нс [2], т. е. фактически 1 нс на интервале 1 часа.
Средствами контрольно-измерительного комплекса ведется постоянное наблюдение за бортовым эталоном для каждого спутника, рассчитывается индивидуальный алгоритм коррекции. Допустимый уход шкалы составляет для GPS -10 нс; ГЛОНАСС - 20 нс.
При использовании абсолютного метода измерений эти искажения временной шкалы вызывают дополнительные погрешности в определении местоположения потребителя до 10.. .15 м.
1. Баращенков, В.В. Цифровые радионавигационные устройства [Текст] / В.В. Баращенков, А.Е. Лутенко, Е.М. Скороходов и др. - М: Сов. радио, 1980. - С. 151-156.
2. Яценков, В.С. Основы спутниковой навигации [Текст] / В.С. Яценков - М: Горячая линия - Телеком, 2005 - С. 101-110.