Інформаційно-вимірювальна система відтворення та передачі одиниці часу та частоти на базі GPS-еталона

Abstract

Мета роботи — розроблення інформаційно-вимірювальної системи відтворення та передачі одиниць часу і частоти на базі GPS-еталона, яка забезпечує метрологічно простежувану синхронізацію з мінімальною нестабільністю вихідного сигналу. У роботі виконано аналіз методів відтворення та передачі одиниці часу і частоти, розглянуто принципи формування сигналу 1PPS приймачами GPS/GNSS та способи його використання для дисциплінування опорного генератора (GPSDO). Обґрунтовано застосування кварцового генератора (OCXO) як джерела короткострокової стабільності частоти. Розроблено структуру системи на базі мікроконтролера ESP32, що реалізує алгоритм фазочастотного підстроювання (PLL/FLL) з цифровим керуванням генератором через ЦАП. Розглянуто протоколи мережевої передачі часу NTP та PTP (IEEE 1588) з оцінюванням досяжної точності синхронізації. Виконано метрологічне оцінювання невизначеності вимірювань відповідно до ДСТУ ISO/IEC Guide 98-3:2018 (GUM) та розраховано Allan-дисперсію для характеристики частотної нестабільності системи. Практичне значення отриманих результатів полягає у можливості застосування розробленої системи як вторинного еталона часу та частоти в метрологічних лабораторіях, телекомунікаційній інфраструктурі та системах точної синхронізації промислових мереж.

The purpose of the work is to develop an information and measuring system for reproduction and transmission of time and frequency units based on a GPS standard, which provides metrologically traceable synchronization with minimal instability of the output signal. The work analyzes the methods of reproduction and transmission of time and frequency units, considers the principles of 1PPS signal formation by GPS/GNSS receivers and methods of its use for disciplining the reference oscillator (GPSDO). The use of a quartz oscillator (OCXO) as a source of short-term frequency stability is justified. The structure of the system based on the ESP32 microcontroller is developed, which implements the phase-locked loop (PLL/FLL) algorithm with digital control of the oscillator via a DAC. The network time transfer protocols NTP and PTP (IEEE 1588) are considered with an assessment of the achievable synchronization accuracy. A metrological assessment of measurement uncertainty is performed in accordance with DSTU ISO/IEC Guide 98-3:2018 (GUM) and the Allan dispersion is calculated to characterize the frequency instability of the system. The practical significance of the results obtained lies in the possibility of using the developed system as a secondary time and frequency standard in metrological laboratories, telecommunication infrastructure and systems for precise synchronization of industrial networks.