Космический синхронизатор времени (CTS) для беспроводной и точной синхронизации времени с использованием расширенных воздушных ливней.

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 7078 (2022) Цитировать эту статью

3188 Доступов

4 цитаты

330 Альтметрика

Подробности о метриках

Точная синхронизация времени является важным методом, необходимым для систем финансовых транзакций, систем промышленной автоматизации и контроля, а также сетей наблюдения за сушей и океаном. Однако сигналы синхронизации времени, основанные на системе глобального позиционирования (GPS) или глобальной навигационной спутниковой системе, иногда недоступны или доступны лишь частично в помещениях, под землей и под водой. В этой работе одновременный и проникающий характер мюонного компонента расширенного воздушного ливня (ШАЛ) использовался в качестве сигналов для синхронизации времени в средах с небольшим покрытием GPS или без него. CTS был смоделирован путем объединения результатов предыдущих экспериментов EAS с прецизионными измерениями удержания OCXO. Результаты показали способность CTS достигать постоянного уровня синхронизации по местному времени менее 100 нс с гипотетическим охватом площади детектора более 2 × 10−4. Мы ожидаем, что этот уровень покрытия достижим и экономически эффективен для использования в потребительских сетях смартфонов и плотных подводных сенсорных сетях.

Системы мобильной/сотовой сети радиодоступа пятого поколения (5G)1, системы промышленной автоматизации и управления2, а также наземные3 и океанские сети наблюдения — все они требуют подключения в реальном времени с точной синхронизацией времени, чтобы обеспечить надежную информацию об эталонном времени. к устройствам, расположенным в этих сетях, на единой временной основе с уровнем джиттера менее 1 микросекунды1. Такие требования обычно выполняются с помощью проводных технологий, таких как Time-sensitivity Networking (TSN)5. TSN обеспечивает гарантированную доставку данных в реальном времени на основе IEEE-802.1 с точной синхронизацией времени. Кроме того, в последнее время были достигнуты успехи в волоконно-оптических технологиях времени и частоты, которые позволяют почти идеально компенсировать временную задержку или флуктуации фазы при двунаправленной работе по одним и тем же оптическим волокнам, обеспечивая синхронизацию времени с точностью от 10 пс до менее 1 нс в зависимости от длина ссылки и используемая технология6,7,8,9,10. Хотя беспроводные технологии предлагают различные преимущества для сетевой связи11,12, точность является одной из наиболее важных проблем. Например, поскольку сейсмологические и вулканологические наблюдения с помощью сейсмометрической установки требуют частоты дискретизации сейсмических волн более 1 кГц, в этом случае потребуется точность беспроводной синхронизации времени менее 10 микросекунд3. Беспроводные устройства могут обеспечить идеальную привязку времени к всемирному координированному времени (UTC) с помощью приемников глобальной системы позиционирования (GPS)/глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS). В настоящее время уровень точности 2 нс достижим с помощью каналов передачи времени на основе GPS13, и даже уровень точности 1 нс может быть достигнут с помощью нового современного метода калибровки приемников14. Кроме того, двусторонняя спутниковая передача времени и частоты (TWSTFT) с геостационарными спутниками может повысить эту точность до субнаносекундного уровня15. Однако это решение не работает, когда сигналы GPS недоступны или когда сигналы GPS доступны только частично (например, в полярных, закрытых, горных районах, под землей или под водой) или когда узлы сети GPS неисправны (например, получают сигналы от разных Спутники GPS или временной сдвиг спутников GPS). Более того, если оснастить GPS-приемниками все узлы сети, общее энергопотребление увеличится и, как следствие, батарея разряжается быстрее. Надежная работа батареи, особенно сохранение более длительных периодов работы между сеансами зарядки батареи, является критически важным вопросом, в частности, для полевых измерений.

Требования к эффективной беспроводной синхронизации для промышленного использования были обобщены несколькими исследователями16,17. Возможные подходы были разделены на три класса. Класс (I): дистанционное управление и мониторинг, Класс (II): мобильная робототехника и управление технологическими процессами и Класс (III): управление движением с обратной связью. Для классов (I), (II) и (III) требуется синхронность с точностью менее 1 с, 1 мс, 1 мкс соответственно. Чтобы ответить на эти требования, были предложены различные исследовательские подходы на основе WLAN, посвященные методам беспроводной синхронизации времени, включая метод протокола синхронизации эталонной широковещательной инфраструктуры, который реализовал точность 200 нс–3 мкс18, адаптивную синхронизацию в многоскачковом времени. - метод сетей с переключением каналов (TSCH), реализующий точность 76 мкс19, метод синхронизации часов с температурной поддержкой, реализующий точность 15 мкс20, и метод синхронизации времени, основанный на алгоритме линейного консенсуса второго порядка, который реализовал точность 1 мкс21. Другие методы включают метод динамической стохастической синхронизации времени, который обеспечивает точность примерно 8 мкс с оценщиком фильтра Калмана (KF)22, и метод мелкозернистой синхронизации времени сети 6,29 мкс с оценщиком линейной регрессии (LR)23. У всех этих методов существуют плюсы и минусы. Поскольку все эти вышеупомянутые методы используют электромагнитные волны для связи, можно упростить создание устройств относительно небольших размеров. Однако во избежание сбоев связи из-за помех и коллизий в эти методы обычно следует включать механизм автоматического повторного запроса (ARQ) и задержку связи; следовательно, ухудшается качество синхронизации. С другой стороны, поскольку предлагаемый в настоящее время метод использует множество естественных частиц, которые одновременно прибывают по всему земному шару, таких сбоев связи и коллизий сообщений не происходит. Однако из-за ограниченного потока космических лучей, вероятно, потребуется устройство большего размера по сравнению с теми, которые используются в технологиях WLAN.