基于衛(wèi)星授時的時間同步系統(tǒng)設(shè)計

張靜　陳偉

摘? ?要：為滿足電力和測控通訊等領(lǐng)域?qū)Ω呔葧r鐘的要求，提出一種新型的基于GPS/BD雙模接收機(jī)的時鐘馴服的軟、硬件設(shè)計及其實現(xiàn)方法。本文提出了一種新型的基于衛(wèi)星授時的高精度時間同步方法，系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)采用“ARM+FPGA”，時間間隔測量方法使用脈沖計數(shù)法計算時間間隔差值，極大的提高了鐘差測量精度和系統(tǒng)運(yùn)行效率。數(shù)據(jù)處理在ARM處理器中實現(xiàn)，引入無偏FIR濾波算法對鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，提高了鐘差的濾波精度。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星授時? 同步? 算法

中圖分類號：U172? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）10（c）-0076-02

從古人的日出而作，日落而息，到今天人們設(shè)定上下班時間，高鐵、飛機(jī)等出發(fā)和到達(dá)時間等，無時無刻不顯示出統(tǒng)一時間標(biāo)準(zhǔn)的重要意義。同時，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在一些特殊領(lǐng)域，如天文觀測、軍事測繪和保密系統(tǒng)等，高精度的時間同步系統(tǒng)和精確的時間信息是至關(guān)重要的[1-2]。

為此，本文提出了一種新型的高精度時間同步系統(tǒng)，采用“FPGA+ARM”的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在FPGA測量鐘差數(shù)據(jù)，極大的提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率。數(shù)據(jù)處理在ARM處理器中實現(xiàn)，引入無偏FIR濾波算法對鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，提高了鐘差的濾波精度。

1? 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 時間同步原理

系統(tǒng)的基本調(diào)控原理可以設(shè)計為鎖相環(huán)控制機(jī)制[3]，利用濾波算法和控制算法計算反饋控制量對本地時鐘源的輸入電壓調(diào)節(jié)，最終使其輸出高精度頻率信號。

1.2 時間間隔測量方法

本文中時間間隔測量部分在FPGA中實現(xiàn)，F(xiàn)PGA具備了倍頻、分頻和時間間隔測量等功能，系統(tǒng)在降低成本的同時仍能夠保持精確的測量時間間隔差值，誤差保持在5ns以內(nèi)，符合預(yù)期設(shè)計。實際倍頻越高，測量的時間間隔差值誤差越小。

2? 無偏FIR濾波算法

本系統(tǒng)中引入無偏FIR濾波算法對時間間隔數(shù)值進(jìn)行濾波處理。文獻(xiàn)[4]提出了一種用于狀態(tài)空間模型的無偏FIR濾波器，之后有學(xué)者將無偏FIR濾波器設(shè)計用于線性時間間隔誤差的模型中，實現(xiàn)了較好的效果。

2.1 無偏FIR濾波器原理

在實際應(yīng)用中，工作環(huán)境的不確定性和信號測量中存在的誤差等因素使采集到的信號除了真實值以外不可避免地包含了噪聲，噪聲的存在會使計算結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此在對采集的信號進(jìn)行計算前必須使用濾波器濾除信號中的噪聲，數(shù)字濾波器是一種常用的濾波方法。

數(shù)字濾波器中有限脈沖響應(yīng)濾波器（Finite Impulse Response， FIR）基本的實現(xiàn)形式可以使用沖激響應(yīng)序列h（k）（k=0，1，...）來表示，本文對FIR濾波器進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的濾波器對誤差的處理結(jié)果是無偏的，并且使用迭代的思想，算法易于在微處理器中實現(xiàn)。

2.2 無偏FIR濾波模型設(shè)計

根據(jù)恒溫晶振的數(shù)學(xué)模型，本地時鐘的時間間隔誤差模型可以用泰勒多項式來表示為：

其中：n=0，1，…;是時間步長，tn是離散的時間單位;是第次時鐘狀態(tài);x1是初始時間誤差;x2是本地時鐘對于參考頻率的頻率補(bǔ)償;x3是線性漂移率;本地時鐘內(nèi)部噪聲和環(huán)境因素引起的偏差。

由于衛(wèi)星時間信號傳播不確定性，在實際應(yīng)用中，忽略掉公式中的。將泰勒級數(shù)展開式應(yīng)用于時間間隔測量模型的時間倒數(shù)，時鐘狀態(tài)和觀測量表達(dá)式分別為：

使用無偏FIR濾波算法對鐘狀態(tài)估計，本文中需要獲得的真實估計量，同時需要獲得時鐘狀態(tài)x（n）的估計量。的無偏FIR濾波估計值通過離散時間卷積計算。

在時域中，K是被時鐘的精度所確定的在N點(diǎn)范圍上的濾波器儲量。恒溫晶振具有較高的短期穩(wěn)定性，本文中設(shè)定K=1，計算得到所需值。

精確的濾波是控制的前提，改進(jìn)的無偏FIR濾波算法濾波得到了準(zhǔn)確的鐘差估計量和鐘差速度估計量?？刂葡到y(tǒng)中數(shù)字PID控制算法具有一些良好的特性，例如快速性和準(zhǔn)確性。在鎖定狀態(tài)下，系統(tǒng)中時鐘的模型可以描述為：

實際應(yīng)用中，PID控制參數(shù)由經(jīng)驗和試驗相結(jié)合的方式予以確定，本系統(tǒng)設(shè)定初始概驗值為。

根據(jù)本文的設(shè)計要求，最終選定濾波周期N=100s，時間同步誤差保持在100ns以內(nèi)。衛(wèi)星信號正常工作情況下，通過1PPS信號馴服恒溫晶振，馴服后的恒溫晶振兼?zhèn)淞?PPS的高穩(wěn)定度和自身的高準(zhǔn)確度。

3? 結(jié)語

衛(wèi)星導(dǎo)航、勘測等特殊領(lǐng)域要求高精度的時間和時間同步信息，本文在傳統(tǒng)時間同步系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，設(shè)計實現(xiàn)了一種“ARM+FPGA”結(jié)構(gòu)的新型時間同步系統(tǒng)，詳細(xì)敘述了時間間隔測量方法、無偏FIR濾波算法的實現(xiàn)要點(diǎn)。分析可得，引入無偏FIR濾波算法對鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，選取合適的濾波周期，優(yōu)于傳統(tǒng)的測量時間同步方法，馴服后的恒溫晶振兼?zhèn)淞?PPS的高穩(wěn)定度和自身的高準(zhǔn)確度，可以提供精度更加準(zhǔn)確的時間頻率信號。

參考文獻(xiàn)

[1] 李躍，邱致和.導(dǎo)航與定位[M].2版.北京：國防工業(yè)出版社，2012.

[2] 范文晶.基于GPS信號鎖定二級頻標(biāo)技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2010.

[3] 杜文建.GPS與恒溫晶振互補(bǔ)的高穩(wěn)定時鐘研究[D].南京大學(xué)，2012.

[4] Yu. S. Shmaliy， “A simple optimally unbiased MA filter for timekeeping，” IEEE Trans. On Ultrason.， Ferroel. and Freq. Contr.， vol. 2002，49（6）：789–797.