Перейти к содержимому


Фотография
- - - - -

3.Радионаблюдения ИСЗ.(О времени)


  • Авторизуйтесь для ответа в теме
В этой теме нет ответов

#1 Tiberium Sun

Tiberium Sun
  • Пользователи
  • 138 сообщений

Отправлено 11 Октябрь 2013 - 11:30

1.Радионаблюдения ИСЗ (искуственный спутник земли)
2.Радионаблюдения ИСЗ (Приём телеметрии ИСЗ)
4.Радионаблюдения ИСЗ.(Получение снимков облачности)
Формат представления данных радионаблюдений ИСЗ.

Наблюдение искусственных спутников Земли
О времени

В этой главе мы рассмотрим вопрос об определении точных моментов времени при наблюдении ИСЗ.

Самое главное в наблюдении ИСЗ

Для начала несколько слов о том, почему вопросу времени при наблюдениях ИСЗ посвящена целая глава. При наблюдении тех или иных спутниковых явлений (определение орбиты ИСЗ, съёмка транзитов, наблюдение вспышек и т.д.) мы чаще всего фиксируем место на небе, где происходит данное событие и время, когда оно происходит. Знание времени события позволяет отождествить спутник, оценить развитие события во времени и построить прогноз на последующие события. При разных видах наблюдений требуется разная точность времени. Чаще всего любителям астрономии достаточно знать время с точностью до минуты, а в отдельных, редких случаях - до секунды. Наблюдателям ИСЗ необходимо знать и фиксировать время с точностью от нескольких секунд до их долей. При этом нужно понимать, что существуют две основные проблемы, связанные со временем, решать которые приходится при наблюдениях:

1.Точное определение моментов времени - нужно знать, во сколько произошло данное событие и сколько оно длилось. Эта задача получила жаргонное название "проблема таймингов". Тайминг (от англ. timeing) - определение точных моментов времени.
2.Привязка тайминга к точному времени - важно не только определить, когда было событие, но и знать, с какой точностью момент времени, нами отмеченный, привязан к точному времени. При наблюдении ИСЗ чаще всего моменты времени фиксируют по всемирному времени (UTC, см. ниже). Знание того, с какой точностью наши часы идут синхронно со всемирным временем очень важно. Для её решения нужно получить и хранить точное время, к которому осуществляется привязка.

Сразу же нужно отметить, что вопрос точности фиксации моментов времени очень важен при наблюдении ИСЗ - можно сказать, что это одна из самых важных задач при подобных наблюдениях. И решение этой задачи не такое простое, как может показаться на первый взгляд...


§ 1. Синхронизация часов

Как было отмечено выше, чтобы осуществить привязку моментов времени к точному времени, его нужно получить и хранить. Любительскими средствами это можно сделать несколькими путями.

п.1. Использование NTP-серверов точного времени сети INTERNET

Одним из наиболее простых способов получения точного времени является синхронизация системных часов персонального компьютера (ПК) с серверами точного времени – т.н. NTP-серверами, передающими информацию о точном времени по протоколу NTP [1]. При этом учитывается задержка по времени, связанная с прохождением сигналов по сети INTERNET. По запросу сервер высылает сообщение, включающее текущие показания часов, или "отметку времени" (timestamp). Клиент записывает собственную отметку времени в момент прибытия сообщения сервера. Для достижения максимальной точности клиенту необходимо измерить задержку распространения ответа "сервер-клиент" и таким образом выяснить полную величину смещения показаний часов относительно часов сервера. Поскольку невозможно определить величину задержки распространения в одну сторону, протокол измеряет общую "транспортную" задержку ("клиент - сервер" + "сервер - клиент") и предполагает, что время распространения в одну и другую сторону одинаково . Структура NTP-пакета данных приведена в "Приложении А".

Для синхронизации ПК удобно использовать бесплатное ПО "Dimension 4" компании "Thinking Man Software". После инсталляции программы откроется основное окно программы, в котором нужно выбрать из списка интересующий NTP-сервер и выбрать частоту синхронизаций (см. рис 1).

pic1.jpg
Рис. 1. Основное окно программы Dimension 4.

Отдельно стоит остановиться на выборе NTP-сервера. Из соображений максимальной точности следует выбирать серверы т.н. "первого страта", которые синхронизируются с атомными часами. Если в списке интересующий NTP-сервер отсутствует, его можно добавить вручную – нажав кнопку "Add" и заполнив необходимы пункты (Server – адрес web-сервера, Location – его местоположение, Protocol – протокол передачи точного времени, Notes – замечания). В блоке "How Often" следует указать, как часто производить запрос точного времени. Список доступных NTP-серверов первого страта довольно велик, некоторые приведены в статье "Радионаблюдения ИСЗ (Приём телеметрии ИСЗ)".

Помимо выбора сервера максимальной точности следует также выбирать территориально ближайший сервер. Для Беларуси, например, это могут быть польские, российские, прибалтийские или украинские серверы. Самым ближайшим является сервер Белорусского государственного института метрологии (БелГИМ).

Проверить стабильность прихода сигналов от NTP-сервера можно при помощи команды PING. Для этого необходимо запустить консольную оболочку DOS ("Пуск" - "Выполнить" - "cmd"). Затем в консоле набрать команду:

ping -n 10 [адрес NTP-сервера]

После этого будет выполнено 10 запросов и результат представлен в консольном окне (см. рис. 2).

pic2.jpg
Рис. 2. Проверка стабильности связи с NTP-сервером.

Для определения как длительности задержки, так и стабильности этой длительности, нами были опрошены три NTP-сервера – nist1.symmetricom.com (США), vega.cbk.poznan.pl (Польша), www.belgim.by (Беларусь). Гистограммы распределения длительностей задержек обращений к серверам по 1000 обращениям для каждого сервера приведены на рис. 3. Для связи с сетью INTERNET использовалось ADSL-соединение. Наиболее важным является стабильность задержки, а не её значение, т.к. задержка учитывается самим протоколом NTP. Но если она будет нестабильной, то системные часы ПК будут синхронизироваться также нестабильно. Как видно из рис. 3, сервер nist1.symmetricom.com имеет большую длительность задержки и значительный "хвост" в распределении. Сервер www.belgim.by имеет минимальную задержку, не имеет "хвоста", величина разброса длительности задержки составляет 2 мс. Сервер vega.cbk.poznan.pl имеет незначительный "хвост" в распределении, подавляющее большинство задержек не превышает диапазона 99-100 мс.

pic3.gif
Рис. 3. Гистограммы распределения задержек обращений к трём NTP-серверам: nist1.symmetricom.com (США), vega.cbk.poznan.pl (Польша), www.belgim.by (Беларусь).

В целом, любой из этих серверов можно использовать для синхронизации системных часов ПК. Следует лишь иметь ввиду, что сервер nist1.symmetricom.com очень популярен и в дневное для США время (ночью в Европе) может быть сильно перегружен, что скажется на стабильности задержки сигналов.

Рассмотрим проблему синхронизации системных часов с помощь программы "Dimension 4" более подробно. Как видно, системные часы можно довольно точно синхронизировать (проверка точности синхронизации описана ниже). Дальше стоит задача хранения полученного точного времени. Следует сразу отметить, что персональный компьютер плохо справляется с этой функцией.

За историей синхронизации можно следить, периодически обращаясь к кнопке "History" – после её нажатия появляется окно с графиком, показывающим отклонение показаний системных часов от точного времени, получаемого от NTP-сервера как функция времени (см. рис. 4). В самом начале графика была произведена короткая синхронизация, когда точность отклонения последующих синхронизаций каждые 10 с не превышали 0,001 с (участок 1). Затем ПК был выключен на 9 часов. За это время системные часы "ушли" на +0,335 с (участок 2). Затем была проведена синхронизация в течении 5 часов (участок 3). На графике видно, что в процессе работы ПК синхронизация иногда нарушалась – из-за работы сторонних приложений синхронизация системных часов ПК происходила с запаздыванием или опережением. Из этого факта следует важное замечание – при синхронизации системных часов нужно закрыть все сторонние программы, чтобы они не мешали синхронизации системных часов. После 5 часов работы ПК он был выключен, а затем через 3,5 часа включен вновь. Как видно, системные часы "опоздали" на -0,472 с (участок 4). Как видно, системные часы ПК могут как "спешить", так и "опаздывать", причём уход времени не всегда одинаков – для участка 1-2 на рис. 4 уход времени составляет +1·10-5 секунды за секунду, для участка 3-4 уход равен -4·10-5 секунды за секунду (при +21° С).

pic4.jpg
Рис. 4. История синхронизации системных часов.

В целом, уход времени не превышает 0,0001 с за одну секунду. Следовательно, если нужно синхронизировать внешние по отношению к системным часам часы, то нужно принимать во внимание, что через 10 минут уход времени может составить 0,05 с. На рис. 5 представлен график истории синхронизации системных часов ПК за две недели. Величину ухода системных часов нужно проверять для каждого ПК отдельно.

pic5.jpg
Рис. 5. График истории синхронизации системных часов за две недели.

Вышесказанное позволяет сделать вывод о том, что сам по себе ПК не может быть надёжным хранителем точного времени – он может лишь выступать как источник точного времени в довольно ограниченный (5-10 минут) промежуток времени. Остаётся лишь убедиться, что синхронизация системных часов ПК с сервером NTP имеет достаточную точность и определить ошибку рассинхронизации (см. ниже).

Теперь остановимся на решении проблемы поиска устройства хранения точного времени. Одним из таких устройств, пригодных для съёмки ИСЗ, может выступать электронный секундомер. Электронный секундомер можно запустить в определённый момент времени от внешнего источника точного времени. Используя возможность ставить временные метки на секундомере, можно осуществить фиксацию моментов времени интересующего нас события (начала экспозиции съёмки ИСЗ и т.д.). При этом время наступления события tevent определяется выражением:

tevent = t0 + tm, (1)

где t0 - время запуска секундомера, tm - значение метки времени.

Запуск секундомера можно производить как вручную, так и от ПК. Рассмотрим оба варианта.

Запуск секундомера вручную

Пусть имеем ПК, системные часы которого синхронизированы с NTP-сервером. Ошибка синхронизации ?NTP в среднем составляет 1-5 мс (см. рис. 3). Секундомер можно запустить вручную, следя за изменением секундных разрядов в основном окне программы "Dimension 4" (см. рис. 6).

pic6.jpg
Рис. 6. Отображение системного времени в главном окне программы "Dimension 4".

Не смотря на то, что типичная скорость реакции человека на визуальный эффект составляет 0,1-0,3 с (см. Приложение Б) (что приводит к появлению задержки синхронизации εvis – т.н. "собственное уравнение"), экран монитора тоже имеет свою задержку обновления – т.к. частота обновления изображения на мониторе лежит в пределах 60-100 Гц, то задержка отображения εэ на экране может достигать 0,010-0,017 с. Таким образом, общая задержка запуска секундомера в фиксированный момент времени будет равна:

ε = εvis + εэ. (2)

Типичные значения ошибки синхронизации по NTP-серверу составляют σNTP = ±10 мс, разброс скорости реакции на визуальный раздражитель σvis = ±100 мс, разброс задержки обновления экрана σэ = ±6 мс.

Подставляя типичные значения задержек (εvis = 300 мс, εэ = 15 мс), получаем, что общая ошибка равна ≈300 мс, т.е. основная ошибка запуска секундомера вносится человеком.

Снизить ошибку реакции зрения можно тренировкой (см. Приложение В). Особенно эффективно использование визуально-звуковых сигналов. Для этого нужно использовать звуковую сигнализацию наступления каждой новой секунды системных часов ПК. Для этого можно использовать программу "LPT Syncronizer" Алексея Ткаченко (см. рис. 7).

pic7.jpg
Рис. 7. Рабочее окно программы генерации секундных меток.

После запуска программы, она считывает показания системных часов и выдаёт короткий звуковой сигнал (длительностью 50 мс) в линейный выход (Line-Out) звуковой карты ПК с наступлением каждой новой секунды. Таким образом, можно одновременно смотреть на значение времени в окне программы "Dimension 4" и слышать сигнал о наступлении новой секунды (см. рис. 8).

pic8.gif
Рис. 8. Запуск секундомера по временным аудио-меткам ПК.

Метод ручного запуска секундомера прост, но достичь точности запуска секундомера менее 0,1-0,2 с проблематично. Гораздо точнее можно запустить секундомер от ПК.

Запуск секундомера от ПК

Уменьшить задержку при запуске секундомера и увеличить, таким образом, точность синхронизации времени можно за счёт использования ПК. Один из способов следующий: специальная программа считывает показания системных часов, синхронизированных тем или иным способом с точным временем, и каждую минуту или секунду посылает на определённый контакт LTP-порта сигнал. Этот сигнал поступает на плату преобразователя, к которой подключён секундомер – импульс с LPT-порта запускает секундомер с задержкой, определяемой программной задержкой синхронизирующей программы и задержкой срабатывания платы преобразователя. На рис. 9 показана общая схема подключения такой системы.

pic9.gif
Рис. 9. Схема подключения при запуске секундомера с ПК. "С" - секундомер, "ПП" - плата преобразователя.

Программа "LPT Syncronizer" Алексея Ткаченко [7] ежесекундно посылает на контакт №2 LPT-порта сигнал, который поступает на плату преобразователя (ПП). Структурная схема устройства ПП показана на рис. 10.

pic10.gif
Рис. 10. Схема подключения при запуске секундомера с ПК. "С" - секундомер, "ПП" - плата преобразователя.

Блок ПП включает в себя оптрон типа 4N35 или аналогичный, и токоограничивающий резистор R на входе ПП. Сигнал на LPT-порте вызывает свечение светодиода внутри оптрона, в результате чего его свет попадает на базу биполярного транзистора оптрона, открывая транзистор. Открытие транзистора замыкает контакты запуска секундомера – секундомер запускается. Время срабатывания оптрона, согласно спецификации 4N35, не более ε4N35 = 7 мкс и в данном методе синхронизации пренебрежимо мало. Наличие оптрона диктуется необходимостью гальванической развязки LPT-порта ПК и секундомера. Кроме этого, LPT-порт относится к устройствам TTL, следовательно логическому уровню "1" соответствует напряжение +5 В, а для запуска секундомера используется напряжение +1,5 В между контактами.

Для отслеживания значения задержки времени между наступлением новой секунды и приходом сигнала синхронизации на LPT-порт программа "LPT Syncronizer" отображает значение этой задержки (см. рис. 7 - параметр "Latecy"). На рис. 11 приведены гистограмма задержек для четырёх минут работы программы. Как видно из графика, наибольшее значение задержки наступает при приходе минутных синхроимпульсов. Следовательно, синхронизировать секундомер следует не по минутным синхроимпульсам, а по секундным.

pic11.gif
Рис. 11. Зависимость задержек прихода синхроимпульса на LPT-порт за четыре минуты.


Распределение задержек секундных синхроимпульсов приведено на рис. 12, из которого видно, что типичное значение задержки не превышает εLPT = 10 мс. При синхронизации секундомера от LPT-порта, также как и при синхронизации системных часов ПК, требуется закрыть все лишние программы на ПК, т.к. их влияние может увеличить значение задержки прихода синхроимпульсов на LPT-порт.

pic12.gif
Рис. 12. Гистограмма распределения задержек секундных синхроимпульсов программы "LPT Syncronizer".

п.2. Использование радиосигналов точного времени РВМ

Ещё одним источником точного времени, помимо NTP-серверов и сигналов спутниковой системы GPS, являются эталонные радиосигналы времени и частоты РВМ (RWM) Государственной службы времени РФ [8]. Передатчики РВМ расположены в Менделеево, недалеко от Москвы (РФ) [9], работают на частотах 4996 кГц, 9996 кГц и 14996 кГц. Часовая программа работы РВМ представлена в Таблице 1 [8-9].

Таблица 1. Часовая программа РВМ.
table1.gif
Таблица 1


Сигналы времени 56, 57, 58, 59-й секунд, следующие после (5n-1)-й минуты, пропускаются (где n = 1, 2, 3, …, 12). Точность привязки сигналов РВМ к всемирному времени довольно высока – погрешность не превышает 30 мкс.

Сигналы РВМ, подобно 1PPS-сигналам системы GPS, можно использовать для особо точной синхронизации часов. При этом следует учитывать задержку радиосигналов от передатчика, обусловленную конечной скоростью распространения радиоволн. Радиоволны передатчиков РВМ распространяются в основном при помощи отражения от ионосферных слоёв F1 и F2 [10], расположенных на высотах 160-400 км. Наличие флуктуаций ионной концентрации (сезонная, суточная и случайная) приводят к флуктуациям высот отражения радиоволн, что ограничивает точность синхронизации до 0,3-2 мс [9].

Задержка радиосигналов РВМ от передатчика до приёмника (в миллисекундах) может быть определена по эмпирической формуле [9]:

εRWM(мс) = 0,9 + 3,25·L(км)/1000, (3)

где L – расстояние между приёмником и передатчиком, вычисленное по дуге большого круга Земли (в километрах):

L = 1,852·Z, (4)

cos(Z) = sin(φ1)·sin(φ2) + cos(φ1)·cos(φ2)·cos(Δλ), (5)

где Z – центральный угол (в угловых минутах), соответствующий дуге большого круга между передатчиком и приёмником, φ1 и φ1 – широта передатчика и приёмника соответственно, Δλ - разность их долгот.

Географические координаты передатчика РВМ равны 55°43’36,73” с. ш. и 38°12’29,39” в.д. [9], таким образом, для Минска величина задержки сигналов РВМ составит εRWM = 3,2 мс.

Обладая высокой точностью, сигналы точного времени РВМ могут служить источником времени как непосредственно для синхронизации секундомера, так и для контроля точности синхронизации по NTP-серверу. При этом синхронизацию по сигналам РВМ можно выполнять как вручную, так и при помощи специальных устройств.

Синхронизация вручную

Как и в случае запуска секундомера вручную от системных часов ПК, синхронизированных по NTP-серверу (см. выше), синхронизация по сигналам РВМ производится на слух. При этом общая задержка будет зависеть в основном от скорости реакции наблюдателя на акустический сигнал εacust, которая может достигать 0,2-0,4 с:

ε = εRWM + εacust.

Задержка на распространение радиосигналов РВМ от передатчика к приёмнику, как было показано выше, для Минска составляет εRWM = 3,2 мс, и является незначительной по сравнению с εacust.

Синхронизация непосредственно по сигналам РВМ

Сигналы РВМ можно использовать непосредственно для запуска секундомера. Общая структурная схема подобной синхронизации приведена на рис. 13. Радиоприёмник сигналов РВМ подсоединяется к усилитель низких частот (УНЧ), на выходе которого амплитуда секундных импульсов РВМ составляет около 5 В. Далее выход УНЧ через отсекающий диод (он нужен для отсекания составляющей сигнала, которая имеет отрицательную полярность) соединяется со ждущим мультивибратором. При каждом приходе секундного импульса РВМ на выходе мультивибратора появляется прямоугольный импульс, длительность которого задаётся времязадающей цепочкой R1C1:

τ = 0,7·R1C1. (7)

pic13.gif
Рис. 13. Структурная схема запуска секундомера от сигналов РВМ.

Сопротивление ограничительного резистора может находиться в пределах 1,5-20 кОм. Каждый из таких импульсов может запускать секундомер, соединённый с выходом мультивибратора через плату преобразователя (см. рис. 10).

Применение мультивибратора диктуется тем фактом, что профиль звукового секундного импульса имеет сложный "колебательный" характер, в связи с чем секундомер от подобного сигнала будет запускаться несколько раз за импульс (эффект на подобие "дребезга" контактов). Мультивибратор выдаёт на выходе прямоугольные импульсы одинаковой длительности. Задержка генерации определяется конкретным мультивибратором. В нашем случае – это К155АГ1 (иностранный аналог – SN74121N), и задержка генерации не превышает долей микросекунды. Длительность прямоугольного импульса от мультивибратора следует выбирать не менее 30-50 мс, т.к. секундомер имеет защиту от "дребезга" контактов и может не запуститься от более коротких импульсов. На рис. 14 приведены результаты моделирования поведения описанной системы на приход секундных импульсов РВМ на вход ждущего мультивибратора.

pic14.gif

Рис. 14. Моделирование отклика ждущего мультивибратора К155АГ1 (внизу) на секундные импульсы РВМ (вверху).


В нашем случае система срабатывает по переднему фронту РВМ-импульса (длительность сигнала 100 мс). Из-за колебательного характера РВМ-импульса возможна задержка запуска мультивибратора, однако она едва ли превысит 1-2 мс.

Особое внимание следует уделить уровню шума между секундными РВМ-импульсами. Если амплитуды шумовых импульсов на выходе УНЧ будут превышать 2,4 В, мультивибратор может испытывать беспорядочные ложные срабатывания. На практике следует стремиться к тому, чтобы амплитуда шума не превышала 0,5-1 В. Это требование накладывает дополнительные ограничения на качество принимаемых сигналов РВМ, которые в условиях индустриальных городских помех сильно зашумлены (тем не менее, практика показывает, что даже в центре крупных городов на качественный приёмник и соответствующую антенну можно принимать РВМ-сигналы с отношением "сигнал/шум" порядка 14-20 дБ). Также стоит отметить не очень подходящую периодичность работы РВМ-передатчиков (секундные импульсы РВМ генерируются с 10-й по 20-ю и с 40-й по 50-ю минуты каждого часа).

п.3. Использование GPS-приёмника

В последние годы, в связи со значительным развитием и увеличением доступности средств персональной навигации на базе GPS-приёмников, возникла возможность осуществлять синхронизацию времени способом, бюджетным по затратам и непревзойдённым по точности относительно других способов. В настоящее время система спутниковой навигации GPS на базе ИСЗ NAVSTAR [12] позволяет определять любому пользователю GPS-приёмника своё местоположение на поверхности Земли, высоту над уровнем моря, скорость и направление движения. Помимо этого система GPS позволяет получать информацию о точном времени. В зависимости от требований к точности и модели GPS-приёмника, синхронизацию часов можно выполнять с точностью от 0,5 с до десятков нс.

Ниже рассмотрены способы синхронизации часов наблюдателя, наиболее востребованные при наблюдении и съёмке ИСЗ.

Использование часов GPS-приёмника

Практически любой GPS-приёмник с графическим экраном включает в свои опции отображение времени. Это время, получаемое по протоколу "NMEA 0183" [13], обрабатывается процессором GPS-приёмника и отображается на экране. В качестве примера рассмотрим GPS-приёмник "Garmin eTrex H" (см. рис. 15).

pic15.gif
Рис. 15. Фото GPS-приёмника "Garmin eTrex H".

При синхронизации по часам GPS-приёмника приходится синхронизировать секундомер только вручную. При этом необходимо учесть следующие ошибки:

-задержка отображения изменения секундного разряда на ЖКИ-экране GPS-приёмника: εЖКИ
-Задержка реакции человека на визуальный раздражитель ("собственное уравнение") εvis

Раскадровка видеоролика, на который записывалось изображение часов на ЖКИ-экране GPS-приёмника "Garmin eTrex H", показало, что длительность формирования секундных разрядов лежит в пределах εЖКИ = 180-320 мс (при +21° С и точность измерения моментов времени ±20 мс) – в зависимости от "сложности" цифры (при изменении цифры "6" на "7", к примеру, "перерисовка" занимает большее время, чем при изменении "5" на "6'). Кроме этого, необходимо оценить точность синхронизации часов GPS-приёмника. Для этого была проведена видеозапись ЖКИ-экрана GPS-приёмника "Garmin eTrex H" на фоне окна программы "Dimension 4" на ЭЛТ-мониторе ПК. Фиксировались моменты начала изменения секундных символов часов (с точностью ±20 мс). Результаты измерений раскадровки полученного видеоролика и измерения задержки между часами GPS-приёмника и системными часами, синхронизированными по NTP-серверу www.belgim.by приведены на рис. 16.

pic16.gif
Рис. 16. Измерение задержки между часами GPS-приёмника с ЖКИ-экраном ("Garmin eTrex H") и системными часами ПК, синхронизированными по NTP-серверу.

При измерении были учтены следующие ошибки и задержки:

1.ошибка синхронизации ПК по NTP-серверу: σNTP = 15 мс (15 %)
2.ошибка за счёт задержки обновления изображения на ЭЛТ-мониторе (85 Гц): εэ = 1,18 мс (1,18 %)
3.ошибка измерения при раскадровке: 20 мс (20%)

В результате, средняя задержка часов GPS-приёмника "Garmin eTrex H" от точного времени составила εGPS-clock = +100 ± 25 мс.

Следует отметить, что задержка εGPS-clock является минимальной, т.к. время "прорисовки" разрядов на ЖКИ-экране GPS-приёмника при +21° составляет 180-320 мс (среднее значение 250 мс), и наблюдатель может синхронизировать секундомер по показаниям таких часов в любой момент указанного интервала (без учёта средней задержки скорости реакции на визуальный раздражитель εvis ≈ 300 мс). Таким образом, суммарная задержка синхронизации по часам GPS-приёмника вручную может достигать 650 ± 80 мс. При этом не учтены ошибка за счёт разброса значений скорости реакции человека на визуальный раздражитель (определяется индивидуально, см. Приложение В). Учёт среднего значения разброса σvis = 100 мс даёт общую задержку 650 ± 130 мс.

Кроме этого, следует учесть, что с понижением температуры, время отклика ЖКИ-экрана значительно увеличивается (до 0,5 с и более), что ещё больше увеличивает задержку между точным временем и показаниями часов GPS-приёмника. Таким образом, синхронизация секундомера по показаниям часов GPS-приёмника имеет значительную задержку - порядка 0,5 с, разброс которой может достигать 0,05-0,2 с.

Использование данных протокола NMEA

Более точным методом синхронизации часов наблюдателя с использованием GPS-приёмника, по сравнению с синхронизацией по часам самого приёмника, является использование информации о точном времени, передаваемой самим приёмником по протоколу NMEA 0183 (описание некоторых основных параметров протокола см. в Приложении Д).

Многие современные GPS-приёмники имеют разъём для подключения к СОМ-порту (RS-232) ПК. NMEA-данные, в том числе точное время, передаётся по кабелю и могут обрабатываться специальным программным обеспечением. Стандартная схема подключения GPS-приёмника к ПК по протоколу RS-232 показана на рис. 17.

pic17.gif
Рис. 17. Стандартная схема подключения GPS-приёмника к ПК по протоколу RS-232.

Для подключения GPS-приёмнимка к СОМ-порту ПК необходимо соединить вывод №5 СОМ-порта ("GND" – "земля") с выводом "GND" GPS-приёмника, вывод №3 порта соединяется с проводом "Tx" (получение данных), а вывод №2 – с проводом "Rx".

Следует сразу отметить, что время, передаваемое по протоколу NMEA, не привязано к точному времени. Ошибка синхронизации может достигать 0,1-0,3 с.

Для синхронизации системных часов по протоколу NMEA существует множество программ, одной из которых является "GPSTime" [14]. На рис. 18 показано рабочее окно программы.

pic18.jpg
Рис. 18. Рабочее окно программы "GPSTime".

После подсоединения GPS-приёмника к СОМ-порту ПК запускаем программу, заходим в пункт меню "Config", и в открывшемся окне (см. рис. 19) выбираем номер СОМ-порта, к которому подсоединён GPS-приёмник ("Port number"), скорость передачи данных ("Data rate"), указываем периодичность синхронизации системных часов ПК ("Update PC time"). В поле "Time offset" нужно указать отличие местного времени от Всемирного координатного времени (UTC). После этого нажимаем кнопку "Start". После этого начинается синхронизация системных часов ПК.

pic19.jpg
Рис. 19. Окно настройки программы "GPSTime".

При использовании NMEA-данных для синхронизации системных часов ПК необходимо учитывать ошибку привязки NMTA-данных к точному времени. Для примера рассмотрим точность синхронизации системных часов ПК по протоколу NMEA по сравнению с синхронизацией про NTP-серверу. На рис. 20 представлена гистограмма распределения разности синхронизации при использовании программ "GPSTime" и "Dimension 4". Точность синхронизации по NTP-серверу не превышала 15 мс. Из гистограммы видно, что среднее значение задержки σNMEA = 0,36 ± 0,06 с.

pic20.gif
Рис. 20. Гистограмма распределения разности синхронизации при использовании программ "GPSTime" и "Dimension 4".

Использование GPS-приёмника с 1PPS-сигналами

Не смотря на значительную рассинхронизацию меток времени, передаваемых GPS-приёмником по протоколу NMEA, именно GPS-приёмники позволяют осуществлять синхронизацию часов наблюдателя с точным временем с точностью до 10-100 нс в пределе. Эта возможность реализовывается благодаря тому, что GPS-приёмник помимо NMEA-данных передаёт сигналы 1PPS (от англ. "1 pulse per second" – "один импульс в секунду") [15]. Секундные импульсы 1PPS с большой точностью (0,01-1 мкс – в зависимости от модели GPS-приёмника) привязаны к точному времени. Использование такой точной привязки и позволяет достигать точности синхронизации часов наблюдателя в 0,5-1 мкс.

Для примера рассмотрим GPS-приёмник "Garmin 35-HVS", фотография осциллограммы 1PPS-сигнала которого приведена на рис. 21 (технические характеристики приёмника представлены в Приложении Г). Длительность 1PPS-сигнала устанавливается пользователем в диапазоне 20-980 мс с шагом 20 мс. Амплитуда 1PPS-импульсов равна 4,5 В, период следования импульсов, заявленный в техпаспорте, равен 1 с ± 1 мкс.

pic21.jpg
Рис. 21. Фотография осциллограммы 1PPS-сигнала GPS-приёмника "Garmin 35-HVS".

На рис. 22 представлена фотография осциллограммы периодичности следования 1PPS-сигналов – измерения показывают, что период равен 1 с с точностью не хуже 10 мкс. Более точные измерения периода следования 1PPS-импульсов на частотомере Ч3-63 показали, что для данного экземпляра GPS-приёмника период отклоняется от 1 с не более, чем на 0,5 мкс (ошибка измерения периода 0,05 мкс) при температуре GPS-приёмника +7° С.

pic22.jpg
Рис. 22. Фотография осциллограммы периодичности 1PPS-сигналов.

Учитывая, что 1PPS-сигналы имеют не только стабильный период, но и точную привязку к точному времени, эти сигналы можно использовать для запуска секундомера наблюдателя ИСЗ. Общая схема такой синхронизации показана на рис. 23. Эта схема по своей сути та же, что и при запуске секундомера от сигналов LPT-порта при использовании программы "LPTSync" (см. рис. 9). В этом случае соединение 1PPS-выхода GPS-приёмника и секундомера также осуществляется посредством платы преобразователя на основе оптрона 4N35.

При такой синхронизации и последующем использовании секундомера в наблюдениях ИСЗ следует учитывать задержку срабатывания оптрона, которой в этом случае уже нельзя пренебрегать: ε4N35 = 7 мкс (согласно данным спецификации оптрона 4N35). Как указывалось выше, паспортная точность периода 1PPS-сигналов равна 1 мкс.

pic23.gif

Рис. 23. Схема запуска секундомера от 1PPS-сигналов GPS-приёмника. "ПП" - плата преобразователя (см. рис. 10).


Как видно из сравнения способов синхронизации часов наблюдателя, синхронизация с использованием 1PPS-сигналов является одной из наиболее точных. Ошибка синхронизации не превышает 10 мкс.

п.4. Контроль точности синхронизации системных часов ПК

При использовании того или иного метода синхронизации часов наблюдателя необходимо контролировать точность синхронизации. На практике наиболее часто используется синхронизация от системных часов ПК. Ниже рассмотрены способы контроля такой синхронизации при использовании NTP-серверов с контролем по РВМ-сигналам и 1PPS-сигналам.

Контроль точности синхронизации системных часов ПК по NTP-серверу

Принцип синхронизации системных часов ПК по NTP-серверам описан выше. Для проверки точности подобной синхронизации можно осуществлять сверку с данными о точном времени, полученными по декодированию РВМ-сигналов. Для этого можно использовать программы, подобные "RadioClock" [16].

Программа "RadioClock" является платной, однако её trial-версию вполне можно использовать для контроля точности синхронизации по NTP-серверу. При этом программа не корректирует системное время, а лишь отображает разницу между текущим системным временем и точным временем, полученным при декодировании РВМ-сигналов. На рис. 24 схематически показано подключение радиоприёмника сигналов РВМ для проверки точности синхронизации по NTP-серверу с использованием программ "Dimension 4" и "RadioClock". В качестве приёмника радиосигналов РВМ использовался сканирующий приёмник YAESU VR500, который при помощи аудиокабеля Jack-3.5 "папа-папа" (см. рис. 25) подсоединяется к Line-In-входу звуковой карты ПК, в результате чего на вход звуковой карты начинают поступать сигналы РВМ. Затем синхронизируем системные часы ПК по NTP-серверу при помощи программы "Dimension 4".

pic24.gif
Рис. 24. Подключение радиоприёмника к ПК для контроля точности синхронизации системных часов по NTP-серверу.

pic25.jpg
Рис. 25. Сканирующий радиоприёмник YAESU VR500 и кабель Jack-3.5 "папа-папа".

Далее запускаем программу "RadioClock" (см. рис. 26). В пункте меню "Transmitter" выбираем "RWM (Moscow)". Подстраивая частоту приёма, добиваемся того, чтобы метки времени на FFT-спектрограмме программы проходили между двумя вертикальными красными линиями в крайней правой части спектрограммы. После этого программа начнёт декодировать РВМ-сигналы. Дождавшись первой синхронизации, наблюдаем за окнами "Syn" – время по данным РВМ, и "PC" – системное время ПК.

pic26.jpg
Рис. 26. Рабочее окно программы "RadioClock".

После нескольких минут синхронизации можно визуально оценить точность синхронизации. Раскадровка видеоролика с записью изменения значений в полях "Syn" и "PC" показала, что при ошибке синхронизации по NTP-серверу не более 10 мс (по данным программы "Dimension 4"), разность показаний системного времени и времени по данным декодирования РВМ имеют заметный разброс (см. рис. 27). Точность измерения задержки – 20 мс. Как видно из графика, среднее значение задержки равно εD4-RC = 70 мс ± 40 мс. Следует отметить, что такое значение задержки обусловлено как скоростью механизма синхронизации системных часов программой "Dimension 4", так и скоростью декодирования РВМ-сигналов программой "RadioClock". Задержка обновления экрана монитора εэ = 12 мс, задержка распространения РВМ-сигнала до Минска, вычисленная по формуле (3), равна εRWM = 3,2 мс.

pic27.gif
Рис. 27. Гистограмма распределения задержек между показаниями программ "RadioClock" и "Dimension 4".

Таким образом, использовать программу ”RadioClock” можно для визуального контроля точности NTP-синхронизации системных часов ПК относительно меток времени РВМ.

В заключение пункта рассмотрим задержку между точным временем и приходом синхронизирующего импульса на LPT-порт при работе программы "LTPSync". На рис. 28 показана структурная схема и амплитудно-временные спектры синхронизирующих сигналов от программы "LPTSync" относительно РВМ-сигналов. Суть эксперимента в следующем:

1.системные часы ПК синхронизируются с NTP-сервером посредством программы "Dimension 4"
2.запускается программа "LTPSync", которая выдаёт звуковые импульсы в линейный выход (Line-Out) выход звуковой карты ПК при наступлении каждой новой секунды
3.линейный выход звуковой карты ПК соединяется с линейным входом (Line-In) звуковой карты ПК, причём только с его левым каналом (L)
4.на правый канал ® линейного входа (Line-In) звуковой карты ПК запускается аудио-сигнал от радиоприёмника РВМ-сигналов

pic28.gif
Рис. 28. Структурная схема и амплитудно-временные спектры синхронизирующих сигналов от программы ”LPTSync” относительно РВМ-сигналов.

Таким образом, на линейный вход звуковой карты ПК поступает сразу два сигнала – на правый канал поступают секундные метки РВМ, а на левый – секундные импульсы от программы "LTPSync". Далее записываем звук со звуковой карты любой программой звуковым редактором (например, "AudaCity" [17]), и измеряем задержку между РВМ-сигналами и секундным метками "LTPSync" путём установления ползунка выделения фрагмента звукозаписи и последующего его передвижения до нужной позиции.

Измерения показали, что при точности синхронизации системных часов по NTP-серверу не хуже 10 мс (по данным программы "Dimension 4"), рассогласование между временем прихода РВМ-сигналов и генерированием сигналов программой "LTPSync" не превышают 60 мс, а наиболее вероятное значение лежит в границах 20 мс. Эти данные не сходятся со случаем оценки точности синхронизации с использованием программы "RadioClock" (см. рис. 27), однако это можно объяснить несовершенством алгоритма декодирования программы, а также задержкой на декодирование.

Отметим также, что используя двухканальный осциллограф можно реализовать экспресс-анализ точности синхронизации по NTP-серверу. Для этого на один из каналов подаются сигналы РВМ, а на второй – сигналы синхронизации с LPT-порта от программы "LTPSync". Выводя оба канала на экран можно визуально отслеживать точность синхронизации с ошибкой не хуже 2-3 мс.


Контроль точности синхронизации системных часов ПК по 1PPS-сигналу

Использование сигналов 1PPS GPS-приёмника позволяет осуществлять контроль точности синхронизации системных часов с точностью порядка 1 мкс. На рис. 29 представлена фотография осциллограммы 1PPS-сигналов в сравнении с синхросигналами LPT-порта при использовании программы "LPTSync" при синхронизации системных часов по NTP-серверу. На рис. 30 представлена более подробная осциллограмма. Как видно, синхроимпульсы с LPT-порта опережают на 1,6 мс 1PPS-сигналы.

pic29.jpg
Рис. 29. Фотография осциллограммы 1PPS-сигналов (внизу) в сравнении с синхросигналами LPT-порта (вверху) при использовании программы "LPTSync" при синхронизации системных часов по NTP-серверу.

pic30.jpg

Рис. 30. Фотография осциллограммы 1PPS-сигналов (внизу) в сравнении с синхросигналами LPT-порта (вверху).


Следует отметить, что синхроимпульсы LPT-порта могут как опережать 1PPS-сигналы, так и отставать от них по времени. На рис. 31 представлены гистограммы распределения задержек между LPT-импульсами и 1PPS-импульсами с учётом знака запаздывания и по абсолютному значению задержки.

pic31.gif
Рис. 31. Гистограммы задержек LTP-сигналов относительно 1PPS-сигналов GPS-приёмника с учётом знака запаздывания (вверху, положительные значения – LPT-сигналы опережают 1PPS-импульсы, отрицательные – отстают), и распределения абсолютного значения задержки (внизу).

Как видно из графиков, прослеживаются два максимума для задержек синхронизации – "пик запаздывания" ε-1PPS-NTP = -9,7 ± 4,9 мс, и "пик опережения" ε+1PPS-NTP = 4,3 ± 2,3 мс. Абсолютное значение задержки LTP-импульсов относительно 1PPS-сигналов равно ε1PPS-NTP = 7,0 ± 4,9 мс.

Использование 1PPS-сигналов GPS-приёмника позволяет определить задержку на распространения РВМ-сигнала до Минска. Согласно формуле (3) эта задержка εRWM = 3,21 мс. Использование двулучевого осциллографа позволяет определить эту задержку: на один канал заводится 1PPS-сигнал, а на второй – РВМ-сигнал с НЧ-выхода радиоприёмника. На рис. 32 показана осциллограмма сигналов РВМ относительно 1PPS-сигналов GPS-приёмника. Измеренное значение задержки РВМ-сигнала составляет 3,33 ± 0,01 мс, что на 3,6% больше значения, рассчитанного по формуле (3).

pic32.jpg
Рис. 32. Фотография осциллограммы сигналов 1PPS (внизу) относительно сигналов РВМ (вверху).

Отличие измеренного значения от вычисленного объясняется как ошибкой эмпирической формулы (3), так и задержкой в обработке РВМ-сигналов радиоприёмником.

Ещё одним не маловажным моментом является точность хранения времени системными часами ПК. На рис. 33 показан график ухода системных часов ПК относительно 1PPS-сигналов (секундные метки системных часов генерировались программой "LPTSync", сигналы снимались с LPT-порта). При измерении синхронизация системных часов выполнялась по NTP-серверу с точностью не хуже 10 мс (по данным программы "Dimension 4"), на время измерения ухода системных часов синхронизация не выполнялась, стороннее ПО на ПК не использовалось.

pic33.gif
Рис. 33. Уход системных часов ПК за 30 минут.

Линейная аппроксимация даёт значение ухода системных часов ПК 7,2 ± 2,7 мс/минуту. Эта оценка хорошо согласуется с ранее указанной величиной 5 мс/минуту при измерении ухода системных часов ПК при сравнении с данными NTP-сервера (см. рис. 4).

Отдельно следует остановиться на вопросе точности хранения времени самими часами наблюдателя. Измеренный уход времени для секундомера ЧСЭ-01 при +8° С составил 0,660 ± 0,010 мс/минуту (для запуска и остановки секундомера использовались синхросигналы LPT-порта от программы "LPTSync", точность NTP-синхронизации не превышала 10 мс, точность определения моментов времени по секундомеру 5 мс), что на порядок стабильнее системных часов ПК.


§ 2. Точность фиксаций моментов начала и конца экспозиции

В предыдущем параграфе мы рассмотрели вопрос получения и хранения точного времени. Теперь настало время разобраться, как производить точную фиксацию моментов времени и привязку к точному времени. Ниже приведено описание двух методов, применимых при съёмке ИСЗ DSLR-камерами [18] (от . англ. "digital single-lens reflex camera" – "цифровой однообъективный зеркальный фотоаппарат"), а также рассмотрен вопрос определения начала и конца экспозиции видеокадров при видеосъёмке ИСЗ.


Выводы

Подведём итоги обзора методов синхронизации часов наблюдателя и методов фиксации начала и конца экспозиции снимков. В таблице 2 приведены сводные характеристики описанных методов синхронизации часов наблюдателя.
Таблица 2. синхронизации часов наблюдателя.
table2.gif
Таблица 2

Источник.

Сообщение отредактировал Tiberium Sun: 11 Октябрь 2013 - 12:12





Количество пользователей, читающих эту тему: 1

0 пользователей, 1 гостей, 0 скрытых пользователей