ВОПРОСЫ ТОЧНОСТИ РЕГИСТРАЦИИ ЛАЗЕРНЫХ ИМПУЛЬСОВ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ С ПОМОЩЬЮ БОРТОВОЙ БЕЗЗАПРОСНОЙ КВАНТОВО-ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Полный текст

Лазерные системы мониторинга и передачи вре- ного контроля частотно-временных параметров ГНСС мени потенциально позволяют достичь пикосекунд- ГЛОНАСС и метрологической аттестации радиочас-ных уровней точности при решении задач высокоточ- тотных технологий передачи времени. 76 № 6(52). 2013 Основополагающий принцип технологии лазерного мониторинга показан на рис. 1. Наземная лазерная станция излучает короткие импульсы в направлении на космический аппарат (КА), оборудованный ретрорефлекторной системой (РРС), и регистрирует точное время старта импульса и время прихода ответного импульса относительно наземной шкалы времени. Вблизи центра отражения РРС на борту КА устанавливается фотоприемное устройство (ФПУ), регистрирующее приходящий лазерный импульс в бортовой шкале времени. Время прихода импульса на бортовые РРС и ФПУ, измеренное в наземной шкале времени, равно: * 1 ί \ ^борт — 2 \ старт + ^прием J На борту КА ФПУ регистрирует время прихода импульса в бортовой шкале времени. Разность хода бортового и наземного эталонов определится выражением: X = t* — t борт борт Таким образом, можно измерить разность хода (смещение) наземной и бортовой шкал времени, располагая тройкой (триадой) измерений. При проведении мониторинга бортовых эталонов частоты необходимо использовать наземный эталон частоты более высокого уровня, например центральный синхронизатор. Для синхронизации разнесенных наземных эталонов частоты необходимо с каждого пункта независимо выполнить мониторинг одного и того же бортового эталона и сравнить результаты. Фундаментальным свойством указанной лазерной технологии является то, что поправка на распространение сигнала в атмосфере для односторонней трассы в направлении на КА полностью компенсируется, когда комбинируется с обычными для дальномера измерениями двойного времени задержки, выполняе мыми в одно и то же время. Современные спутниковые лазерные дальномеры обеспечивают сантиметровую точность измерений дальности, что соответствует погрешности измерений времени менее 0,1 нс. Для мониторинга бортовых синхронизирующих устройств (в том числе - определения точности и стабильности их шкал времени), сличения бортовых синхронизирующих устройств с центральными синхронизаторами ГНСС ГЛОНАСС, сличения шкал времени центральных синхронизаторов, в том числе разнесенных на континентальные или межконтинентальные расстояния, необходимо оснащение каждого КА группировки ГЛОНАСС бортовой системой регистрации лазерных импульсов. Для ГНСС ГЛОНАСС эти задачи предполагается решать с помощью бортовой беззапросной квантовооптической системы (ББКОС), функциональная схема которой приведена на рис. 2. Оптический тракт системы состоит из семиканального фотоприемного устройства. Суммарное поле зрения всех каналов ФПУ составляет 24°, что покрывает практически всю видимую поверхность Земли. Использование многоканального ФПУ позволяет снизить уровень шума его фоновой засветки. Кроме того, такой подход дает возможность определять сектор, из которого производится облучение. Принятые ФПУ сигналы поступают в измерительный тракт системы. Измерение интервалов времени с точностью лучше 0,1 нс осуществляется косвенным методом, основанным на применении интегральной микросхемы с набором элементов задержки, на основе которых построен измеритель [1]. Обеспечить суб-наносекундную точность методами непосредственных измерений на данный момент практически невозможно, так как для этого потребовалось бы построить электронно-счетные устройства на основе цифровой логики, работающие на частотах порядка десятков ГГц. Onopwt яйилтулъс ^&орт Бортовая, ткала браиепа Опори X ы&шняул ьс / \ Натвлтая ш кала єреліени ^cmapm _ ^fiopm ^npumt Рис. 1. Принцип лазерного мониторинга и передачи времени 77 Вестник СибГАУ Рис. 2. Функциональная схема бортового терминала ББКОС Существует ряд способов измерения интервалов времени с малым дискретом [2; 3]. В [2] используется метод анализа вторичного события (импульса напряжения заданной формы), сформированного относительно стартовых и стоповых импульсов, инициирующих процесс измерения, позволяющий получить точность порядка десятков пикосекунд. Производятся измерения мгновенных значений амплитуды сформированного вторичного импульса в заданных точках. Затем, имея информацию о его форме, можно произвести математическую обработку результатов и получить информацию о времени появления стартового импульса. Ощутимым недостатком такого метода являются методические погрешности, обусловленные косвенными измерениями вторичных параметров, а также цепями формирования вторичного события, и даже приблизительная оценка их величины исключительно трудна. Вопрос о потенциально достижимой точности измерений в такой системе остается открытым. Поэтому сосредоточим внимание на методе, используемом в [3]. Достижение пикосекундных точностей обеспечивается за счет использования кольцевого автогенератора, представляющего собой набор элементов задержки в виде КМОП-структур. Время переключения одного элемента составляет приблизительно 20...30 пс. Таким образом, фиксация количества переключенных элементов в начале и конце измеряемого интервала времени позволяет получить дискрет измерений на уровне времени переключения одного элемента. Существенное ограничение на максимальную длительность измеряемого интервала накладывает количество элементов задержки внутри кольцевого генератора. В современных ИМС с такими измерителями максимальная длительность измеряемого интервала времени составляет порядка 40 мкс [3], что явно недостаточно. Например, при решении задач корректировки шкал времени КА ГЛОНАСС методами оптической локации, максимальная длительность измеряемого интервала времени составляет 2H τ =-= 127 мс, где Н = 19 100 км - высота орбиты космического аппарата, c - скорость света. Поэтому измерения необходимо производить в два этапа: с помощью измерителя коротких интервалов времени с малым дискретом необходимо осуществить привязку начального и конечного моментов измеряемого интервала к тактовому сигналу, а длинные интервалы времени измерять с помощью грубого счетчика периодов тактового сигнала. Если кольцевой генератор, используемый для измерения коротких интервалов времени с малым дискретом, не синхронизирован с эталонным тактовым сигналом, то будет существовать линейно растущий во времени сдвиг фаз между этими сигналами, и при разных измерениях одной и той же величины количество переключенных элементов будут различаться, что станет дополнительным источником погрешности. Кроме того, дискрет измерений, определяемый частотой работы кольцевого генератора, зависит от многих параметров (температуры, напряжения питания и т. д.). Поэтому для обеспечения строго заданного значения дискрета измерений необходимо осуществить синхронизацию кольцевого генератора относительно эталонного тактового сигнала. Для решения этих задач был разработан измеритель временных интервалов с двухступенчатой системой фазовой синхронизации. Его функциональная схема приведена на рис. 3. эг ИЧФД <гfm/8 M Λ ФНЧ -> ПГ UO МГц ФАПЧ1 Стоп fm/N ИЧФД ФНЧ КГ ti/IL MK о 11/IHL < > L СЗИиУ ФАПЧ2\ Результат Рис. 3. Функциональная схема измерителя c 78 № 6(52). 2013 С помощью ФАПЧ1 происходит формирование опорного тактового сигнала. Колебание эталонного генератора ЭГ, в качестве которого используется атомно-лучевой стандарт частоты, поступает на вход импульсного частотно-фазового дискриминатора ИЧФД, на другой вход которого подается сигнал от перестраиваемого в узком диапазоне кварцевого генератора КГ, пропущенного через делитель частоты. Таким образом, формируется высокостабильное опорное колебание, с точностью настройки номинальной частоты, определяемой ЭГ и низким уровнем фазовых шумов, определяемым КГ. С помощью ФАПЧ2 происходит синхронизация кольцевого автогенератора КГ относительно эталонного колебания, полученного на выходе ФАПЧ1. Стартовые и стоповые сигналы, управляющие работой измерителя, подаются на входную логическую схему ВЛС, вырабатывающую сигналы для схемы запуска измерений и управления (СЗИиУ) измерителем коротких интервалов времени и счетчика периодов тактового сигнала для измерения длинных интервалов времени, реализованного на ПЛИС. Микроконтроллер МК управляет режимами работы измерителя, производит вычисления и выдает итоговые результаты измерений. Измеритель временных интервалов (ИВИ) совмещен с вычислительным устройством и подсистемой управления. Такое совмещение носит условный характер и вызвано целесообразностью использования одного микропроцессорного устройства как для проведения измерений и обработки их результатов, так и для управления системой в целом и связи с бортовой ЭВМ КА. Это позволило снизить массогабаритные показатели и повысить надежность системы. Модуль калибровки формирует собственные импульсы излучения от калиброванного лазерного излучателя, которые с помощью оптических волокон подаются в приемные объективы каждого из каналов ФПУ. Это позволяет контролировать временные задержки в оптико-электронном тракте, а также проводить его тестирование перед рабочим сеансом. Модуль питания обеспечивает стабильными питающими напряжениями все функциональные узлы системы, используя бортовую сеть питания КА. Бюджет погрешностей регистрации ББКОС времени прихода импульсов на борт КА. Время регистрации лазерного импульса модулем СВУ ББКОС: гугли _ '■рли ι rP ι rP ι rP /"14 Т сву Т отр + Тгеом + Тфпу + Тиви , (1) где Тлиотр - время прихода лазерного импульса в центр отражения РРС; Тгеом - время задержки лазерного импульса, соответствующей расстоянию от центра отражения РРС до ФПУ ББКОС; Тфпу - время задержки импульса в тракте ФПУ, от входа ФПУ до входа измерителя временных интервалов; Тиви - время задержки импульса в тракте ИВИ. Поступивший импульс регистрируется относительно секундной метки СВУ ББКОС. Положение (время) секундной метки СВУ относительно секундной метки БСУ определяется за держками в ВЧ кабелях БСУ-СВУ и схемой выделения секундной метки СВУ: 1с= T1 с + T + T (2) сву 1 бсу ' Абсу-сву^ -Чс1с> \ ) где Т1сбсу - время «точной секундной метки» (ТСМ) БСУ; Тбсу-сву - время задержки ТСМ от выхода БСУ до входа СВУ ББКОС; Т1с1с - время задержки выделенной секундной метки СВУ относительно ТСМ БСУ, поступившей на вход СВУ. ТСМ БСУ определяется сигналом 5 МГц и, следовательно, задержка Тбсу-сву - это задержка сигнала 5 МГ ц в ВЧ кабелях от выхода БСУ до входа СВУ ББКОС. Опуская промежуточные преобразования, приведем соотношение для времени прихода лазерного импульса ТЛИ ξ (Тлиотр- Т1сбсу ) в центр РРС в шкале времени БСУ КА, с учетом изменения задержек при изменении температуры и параметров сигналов: ТЛИ = Тизм - LkC1 + [Ткаб +Δ^α^)] - - [Ткббкос +Δ^^^Ο) +Δ^ν^) +ΔTббкос(V5)]. (3) Здесь Тизм - измеренное ИВИ СВУ время регистрации импульса в сетке времени СВУ ББКОС; c -скорость света (в вакууме); Lk - расстояние от центра РРС до входа канала к ФПУ; Ткаб - задержка сигнала 5 МГц кабелями БСУ-СВУ ББКОС; Т ббкос Т фпу + Тиви Т1с1с суммарная заДерЖКа времени детектирования и регистрации лазерного импульса: от входа ФПУк до входа сигнала 5 МГ ц в ББКОС; Δ^^ί 0C) и ΔΊ^^^Ο) - изменение задержек с температурой; ΔΊ^ν^ - изменение задержки в зависимости от амплитуды сигнала, пропорционального энергии принятого лазерного сигнала; Δ^^ν^ - изменение задержки в зависимости от амплитуды синусоидального сигнала 5 МГц (выделение компаратором ТСМ из синуса). Соотношение (3) является базовым для определения момента времени регистрации лазерного импульса, пришедшего в центр РРС в шкале времени БСУ КА, и оценки погрешности определения этого момента времени. Случайная погрешность измерения времени прихода импульса определяется следующими составляющими: а) погрешностью регистрации светового импульса ФПУ - σТфпу (джиттер ФПУ); б) погрешностью измерителя временных интервалов - σТиви (джиттер ИВИ); в) нестабильностью сетки 5 МГц на нашем интервале измерений - σ(Γ5) (джиттер сформированной стабильной сетки 5 МГ ц СВУ); г) погрешностью определения момента перехода нуля синусоидальным сигналом 5МГ ц - σ^^ (джиттер выделения точной секундной метки). Составляющие в) и г) определяют случайную ошибку слагаемого Т1с1с. Слагаемые Lk/c и Ткаб соответствуют пассивным трактам и имеют только систематическую погрешность. Джиттер ФПУ обусловлен шумом в измерительном тракте ФПУ (от фотодиода до компаратора, пре 79 Вестник СибГАУ валирующим является шум тока фоновой засветки), конечным временем нарастания сигнала (Тнар) на входе компаратора и конечным значением отношения «сигнал/шум»: аГфщ, = Тнар /(с/ш) < 70 пс для Тнар < 0,7 нс, с/ш > 10. Джиттер ИВИ определяется выбранной микросхемой - измерителем. Лучшая на сегодня для нашей задачи - TDC-GPX, обеспечивает (по паспортным данным) СКО единичного измерения от 30 до 60 пс. Дискрет (шаг) времени этой микросхемы 27 пс, в варианте рекомендованного паспортом подключения. Меньший шаг может быть достигнут иными подключениями, но для нашей задачи этот риск не оправдан, так как СКО, обусловленное шумом сигнала, почти на порядок больше дискрета 27 пс. Джиттер сформированной сетки 5 МГц определяется фазовым шумом кварцевого генератора кольца ФАПЧ, в нашем случае VDLGLA - 40M000000 (фирмы Vectron - лидера в области малошумящих подстраиваемых генераторов). Для выбранного интервала измерений, на основании паспортных данных генератора, σ(Τ0) < 40 пс. В опытных образцах ИВИ случайная погрешность измерений (за счет джиттера ИВИ и джиттера сетки 5 МГ ц) не превышала 50 пс. Джиттер выделения точной секундной метки определяется помехами на входе соответствующего компаратора и искажениями синусоиды 5 МГц (превалирует первая составляющая). Оценка, с учетом экспериментальных данных, дает σΤ^ο < 25 пс. Суммарная оценка случайной погрешности времени регистрации принятого ББКОС лазерного импульса (в единичном измерении) дает σΤ^ < 90 пс, для отношения с/ш = 10. Проверки СКО единичных измерений ББКОС времени получения лазерных импульсов в стыковочных испытаниях с наземной беззапросной квантово-оптической системой, работающей в шкале времени центрального синхронизатора, дали результат σΤ^ < 85 пс. Систематическая погрешность измерения времени регистрации ББКОС лазерного импульса, относительно центра отражения РРС, определяется: а) задержкой Lk/c, обусловленной геометрическими факторами: расположением ФПУ ББКОС относительно центра РРС и направлением на источник зондирующих импульсов; б) задержкой Ткаб сигнала 5 МГц от БСУ до ББКОС; в) задержкой импульса ТкБвКоС в k канале ББКОС и его регистрации СВУ ББКОС; г) изменением задержек б), в) по температуре; д) изменением задержки ΔΤ^ν^ в зависимости от амплитуды сигнала, пропорционального энергии принятого оптического импульса; е) изменением задержки ΔΤ^Κο<^(ν5) регистрации в зависимости от амплитуды синусоидального сигнала 5 МГц БСУ КА. Калибровка систематических погрешностей ББКОС. Геометрический фактор: зондирующий лазерный луч направлен под углом β0 < 120 к оси Х; ось Х направлена на центр Земли с погрешностью β (β << 1). В этом случае погрешность ΔΤ^^ равна ΔΤ-еом « (Ah /с) (1- β2/2) (1- β02/2) X X [1 + fj(z/h, β0) + f(z/h, β0)], (4) где h - расстояние (по оси Х) от центра отражения РРС до проекции ФПУ на ось Х, z - расстояние от ФПУ до оси Х КА; f1 и f - дополнительные поправки на взаимную ориентацию КА и источник лазерных импульсов; поправка на β0 Ф 0 и поправки f и f будут определяться для каждого сеанса на основе баллистических данных для конкретного времени сеанса. Для ББКОС-М, размещенной на технологической платформе КА Глонасс-М, ошибка Δh = ± 2,5 мм дает ошибку ± 8 пс; неопределенность β до 0,5° дает ошибку менее 1 пс. Без учета геометрии расположения «зондирующий источник - КА» неопределенность задержки может достигать 300 пс (для β0 = 120, с учетом h = 3,6 м). Для ББКОС на КА «Глонасс-К2», с ФПУ ББКОС размещенном практически в центре отражения РРС, ΔΤ.^ не превысит 10 пс для любого направления зондирующего луча. Задержки ВЧ кабельной линией сигнала 5 МГц, Ткаб, измерены на «расстыкованном» блоке КА «Гло-насс-М», со смонтированными кабелями от БСУ до ББКОС с суммарной задержкой 29,80 нс и 29,85 нс для основной и резервной линий. При этом вне гермоотсека использован фазовостабильный 50-Омный кабель SF301 фирмы HUBER+SUHNER: задержка 4,3 нс/м, изменение задержки фазы менее 1500ppm в диапазоне температур от минус 55 до 125 оС. В этой системе изменение задержки ΔΤμ6^ оС) не превысит 20 пс, при условии изменения температуры внутри гермоотсека в диапазоне до ± 2 оС и вне гермоотсека - от минус 55 до плюс 125 оС. Задержка сигнала ББКОС - Ткббкос и ΔΤ^^^): каналы ББКОС калибровались по абсолютной задержке, при температуре 25 оС и в диапазоне температур от минус 30 до плюс 50 оС. Изменение задержки с температурой ΔΤ1^ оС) составляет (- 12) пс/°С в диапазоне от 0 до 50 оС (в диапазоне от 0 до минус 30 оС с увеличением от (-20) до (-70) пс/оС ). Изменения с температурой одинаковы по всем каналам ФПУ. Изменение задержки от амплитуды сигнала ΔΤ^ν^) обусловлено тем, что фронт нарастания аналогового сигнала на входе компаратора конечен (около 0,7 нс), а амплитуда сигнала меняется в зависимости от точности наведения абонента, пропускания атмосферной трассы, турбулентности атмосферы (порождающей спекловую структуру лазерного пучка). Таким образом, амплитуда сигнала на входе компаратора меняется от значения ниже порога до значений в 5-20 раз выше порога компаратора, что будет приводить к изменению задержки цифрового сигнала с выхода компаратора. Это влияние учитывается в ББКОС-М тем, что амплитуда сигнала перед компаратором измеряется пиковым детектором; эти данные регистрируются для каждого импульса и передаются на Землю. 80 № 6(52). 2013 Сводные данные погрешности измерений ББКОС Значение погрешности, пс, не более Источник погрешности Случайная σΤ Систематическая, ΔΤ (с калибровкой) Примечание Геометрия расположения 0 < 10 Радиочастотные кабели 5 МГц (от БСУ до ББКОС) 0 < 50 Измерения на объекте Принятый ФПУ сигнал < ± 70 < 40 Для с/ш > 10 Сигнал 5МГц от БСУ < ± 25 < 10 Сетка 5 МГц + ИВИ ББКОС < ± 50 0 ББКОС в целом (от объектива ФПУ до входа 5МГц) < ± 90 < 50 (суммарно) Для с/ш > 10 Итого до ± 90 < 110 с/ш > 10 Суммарная погрешность (σΤ+ ΔΤ) < ± 200 с/ш > 10 Такой вариант коррекции времени задержки от амплитуды на данном этапе работы представился более резонным, так как измерение амплитуды сигнала в данной работе необходимо еще по двум причинам: 1) для формирования укороченного массива данных (выбор импульсов с максимальной амплитудой); 2) надо знать уровень сигналов; это важнейший параметр, который надо получить в эксперименте, проводимом на КА ГЛОНАСС-М, для определения минимального диаметра приемной апертуры каналов ФПУ в будущих разработках. Изменение задержки от амплитуды синусоидального сигнала 5 МГ ц ΔΤ^^^) обусловлено тем, что выделение момента времени перехода сигнала V5 sin ωt через 0 дает неизбежную ошибку. В нашем случае, использования компаратора с порогом 0 мВ и гистерезисом 25 мВ, измеренный коэффициент изменения задержки с амплитудой составил (-1 пс) / мВ. Калибровка задержек ББКОС проведена при работе с цезиевым генератором частоты (аналогичном штатному КА-М), имеющем амплитуду сигнала V5 = 850 мВ. Калибровка проводилась при комнатной температуре, (25 ± 2) оС. Амплитуда сигнала указанного стандарта проверялась также в диапазоне температур от 17 до 30 оС: с точностью 10 мВ изменения амплитуды не замечено. Амплитуда сигнала штатного БСУ КА измерена на согласованной нагрузке при Т = 20 оС: V5^ = 750 мВ (размах 1500 мВ). Соответствующая поправка будет учтена. Дрейф задержки не превысит 10 пс, т.к. БСУ стабилизирован по температуре лучше 2 0С. Сводные данные погрешности измерений ББКОС приведены в таблице. Погрешность (неопределенность калибровки систематической плюс одна сигма случайной ошибки) регистрации ББКОС-М времени прихода лазерных импульсов на борту КА Глонасс-М в шкале времени БСУ КА не превышает 0,2 нс, при отношении сигнал/шум ФПУ более 10. Отношение с/ш > 10 обеспечено при получении ФПУ лазерного импульса длительностью менее 0,3 нс, с плотностью числа фотонов в плоскости приемной антенны ФПУ более 50 фотонов/мм2. Для КА Глонасс-К2, с расположением ФПУ ББКОС в центре отражения РРС и существенно меньшей длиной кабелей БСУ-ББКОС, погрешность оценивается в 0,15 нс. Выводы. Проведенные наземные испытания, измерения параметров, анализ погрешностей и калибровок опытного образца ББКОС дали следующие результаты. ББКОС регистрирует лазерные импульсы в шкале времени опорного (бортового) синхронизирующего устройства. Параметры принимаемых лазерных импульсов: длина волны 532 нм, плотность числа фотонов в импульсе на приемной апертуре от 50 до 5000 фот/мм2, длительность импульсов от 0 до 0,3 нс (с увеличением длительности линейно растет случайная ошибка измерения). Погрешности регистрации указанных импульсов: СКО единичного измерения - не более 90 пс; систематическая ошибка калибруется до уровня 100 пс. При размещении ББКОС на технологической платформе КА Глонасс-М (на расстоянии 3,6 м от центра отражения РРС КА) необходимо знать взаимную ориентацию «зондирующий луч - ось Х КА» (т. е. знать баллистические данные КА для конкретного времени сеанса и координаты абонента); неопределенность ориентации приводит к неопределенности соответствующего вклада систематической ошибки до 300 пс. Для КА Глонасс-К2, с расположением ФПУ ББКОС в центре отражения РРС и существенно меньшей длиной кабелей БСУ-ББКОС, систематическая погрешность калибровки может быть уменьшена до 50 пс (с неопределенностью от взаимной ориентации на порядок меньшей).

Об авторах

А. С. Жабин

ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»

Россия, 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 53

П. И. Набокин

ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»

Россия, 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 53

Д. С. Батеев

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева

Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

В. А. Анжина

ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева

Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52

Список литературы

Дополнительные файлы