短波授時在高精度授時領(lǐng)域的應(yīng)用

左兆輝 淮鴿 戴群雄

摘要：基于我國短波授時系統(tǒng)，對短波授時高精度應(yīng)用的意義進(jìn)行了分析。利用BD/GPS授時的高精度特性以及短波授時的高可靠性，通過BPM有效性篩選、精密時差測量和低功耗設(shè)計3個關(guān)鍵技術(shù)，設(shè)計了一種可靠的高精度授時系統(tǒng)。試驗表明，上電馴服30 min，系統(tǒng)的定時精度達(dá)到±1E-10，滿足高精度授時領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：短波授時；有效性篩選；精密時差測量；低功耗；高可靠；高精度

中圖分類號：TP391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1008-1739（2021）24-55-4

0引言

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)的快速發(fā)展，高精度授時一般以北斗、GPS等衛(wèi)星導(dǎo)航授時為主，而短波授時由于其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度相對較差，通常作為輔助授時手段使用。然而，短波授時以其覆蓋范圍大、接收設(shè)備實現(xiàn)簡單、成本低及抗摧毀性強(qiáng)[1]等特點，在授時領(lǐng)域仍然具有廣闊的應(yīng)用前景。同時短波授時的這些特點在非常時期會顯得尤為重要，當(dāng)衛(wèi)星授時受到干擾時，短波授時將會變成一種最為可靠的授時手段[2-3]，因此對其在高精度授時領(lǐng)域開展應(yīng)用的研究具有重要意義。

1短波授時信號

我國的BPM短波授時系統(tǒng)于1970年建成，目前采用4種發(fā)播頻率（2.5 MHz，5 MHz，10 MHz，15 MHz），BPM短波授時臺發(fā)播程序如表1所示，周期為30 min；4個頻率的發(fā)播時間如表2所示，其中5 MHz和10 MHz是全天連續(xù)發(fā)播[4]。

BPM短波授時臺通過電臺向外發(fā)播BPMc時號。BPM的UTC時號固定超前UTC（NTSC）20 ms。UTC信號采用正弦波形，即時刻起點為零相位。UTC秒信號是用1kHz的標(biāo)準(zhǔn)音頻信號中的10個周波去調(diào)制其發(fā)射載頻以產(chǎn)生長度為10個周波的音頻信號，其時長為10 ms，起點（零相位）為協(xié)調(diào)時的秒起點。每秒產(chǎn)生一個這樣的時號，2個時號起始之間的間隔為協(xié)調(diào)時的1 s。UTC整分信號是用1kHz的標(biāo)準(zhǔn)音頻信號中的300個周波調(diào)制其發(fā)射載頻以產(chǎn)生長度為300個周波的音頻信號，其時長為300 ms，起點（零相位）為協(xié)調(diào)時的整分起點。類似地，UT1分信號和秒信號時長分別為300 ms，100 ms。1 min呼號前40 s為莫爾斯電碼，后20 s為女聲普通話語音廣播[5]。無載波調(diào)制是不加音頻調(diào)制的載頻信號。

2系統(tǒng)架構(gòu)及工作原理

為了獲得一個短期及長期穩(wěn)定度都比較優(yōu)良的時頻信號，本文提出了利用BD/GPS雙模授時模塊產(chǎn)生一個穩(wěn)定的秒脈沖信號，利用其對恒溫晶振進(jìn)行馴服，從而獲得較高的頻率準(zhǔn)確度。在BD/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航信號丟失時，采用短波授時定時校準(zhǔn)恒溫晶振，消除恒溫晶振的長期累計誤差。同時，通過短波授時信號有效性篩選策略，有效克服短波授時信號不穩(wěn)定導(dǎo)致的短波授時精度低的缺點，為短波授時高精度應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。高精度短波授時系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

其中，短波授時模塊可接收10 MHz，15 MHz短波授時信號，輸出1PPS，1PPM授時信號，定時精度≤1.5 ms，為高精度短波授時系統(tǒng)提供毫秒量級時源參考。BD/GPS雙模接收模塊完成BD/GPS導(dǎo)航信號的接收，輸出1PPS+TOD授時信號，為高精度短波授時系統(tǒng)提供精密時源參考及位置信息。在BD/GPS授時有效時，時頻控制模塊解析BD/GPS雙模接收模塊獲取的時間及位置信息，并將時間及位置信息轉(zhuǎn)發(fā)給短波授時模塊用于傳播時延修正及時間保持；在BD/GPS授時無效時，短波授時模塊維持之前的時間及位置信息，也可通過通信接口單元手動為短波授時模塊設(shè)置時間及位置信息。

短波授時信號和BD/GPS授時信號首先通過時源優(yōu)選單元進(jìn)行時源選擇，時源優(yōu)先級BD/GPS授時>短波授時，即在BD/GPS授時有效時，優(yōu)先使用BD/GPS雙模接收模塊輸出的時間信息作為系統(tǒng)的參考時源。在BD/GPS授時無效、短波授時有效時，經(jīng)過時源優(yōu)選后的1PPS和1PPM信號經(jīng)BPM有效性篩選后為系統(tǒng)提供有效的時源參考。同時，為有效減小BD/GPS雙模接收模塊、短波授時模塊輸出秒的抖動帶來的隨機(jī)誤差，設(shè)計了脈沖信號卡爾曼濾波[6]模塊，對1PPS時源參考信號進(jìn)行濾波處理，大大提高時源參考的可靠性。

在外時源參考有效時，時碼產(chǎn)生單元以恒溫晶振輸出的10 MHz頻率信號為參考，產(chǎn)生1PPS，10 MHz，IRIG-B（DC）碼等各種授時信號，時差測量單元完成外部時源參考1PPS與晶振輸出的1PPS之間時間延遲測量，依據(jù)測量結(jié)果及系統(tǒng)裝訂的時延零值對系統(tǒng)輸出的授時信號的相位進(jìn)行調(diào)整[7]，實現(xiàn)輸出授時信號的同步處理，同步后的授時信號經(jīng)過隔離放大后輸出。

在外時源參考有效時，頻標(biāo)馴服單元對恒溫晶振進(jìn)行馴服。為避免恒溫晶振往復(fù)振蕩，在BD/GPS授時有效時，間隔5 min校準(zhǔn)一次恒溫晶振；在BD/GPS授時無效、短波授時有效時，考慮短波授時UTC時號的發(fā)播時刻，間隔30 min校準(zhǔn)一次恒溫晶振。經(jīng)過馴服的恒溫晶振可以有效提高其輸出10 MHz的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度，為系統(tǒng)的高精度授時輸出奠定基礎(chǔ)。

實時時鐘（RTC）用于本地時間的維持，在外參考時源有效時，對RTC的初始時間進(jìn)行設(shè)置，在系統(tǒng)斷電后，使用電池供電，維持本地時間，以保證系統(tǒng)重新加電后能夠盡快獲取有效的時間信息。

時延零值通過高速示波器測量系統(tǒng)輸出的1PPS與授時線纜末端的1PPS之間的時差得到[8]，通過時頻控制模塊的通信接口下發(fā)并固化存儲。

試驗結(jié)果統(tǒng)計表明，在0.5 h內(nèi)，利用BD/GPS衛(wèi)星信號校準(zhǔn)恒溫晶振，被校晶振的頻率準(zhǔn)確度可達(dá)±1E-10，即系統(tǒng)的定時精度可達(dá)到±1E-10。

3關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BPM有效性篩選

由于短波授時信號自身的不穩(wěn)定性，可能導(dǎo)致短波授時模塊不能連續(xù)輸出有效授時信號，為了有效解決該問題，提高系統(tǒng)授時的穩(wěn)定性及可靠性，設(shè)計了針對短波授時1PPS，1PPM的有效性篩選策略。

短波授時1PPS有效性篩選策略：在短波授時有效后，通過時差測量單元得到短波授時1PPS與系統(tǒng)1PPS時差，當(dāng)授時有效標(biāo)志連續(xù)超過50 s有效時，對時差值做平均，依據(jù)時差均值對本地1PPS調(diào)一次初相，完成與短波授時1PPS的同步；如果計時過程中出現(xiàn)短波授時無效，則清零計時，待短波授時有效后重新開始計時，1PPS有效性篩選流程如圖2（a）所示。

短波授時1PPM有效性篩選策略：當(dāng)短波授時有效后，在連續(xù)4 min內(nèi)，統(tǒng)計當(dāng)1PPM信號到來時1PPM出現(xiàn)時刻與本地維持的整分時刻的時差，如果連續(xù)4 min時差一致，則認(rèn)為1PPM授時信號有效，主動跟蹤短波1PPM來修正本地時間的整分時刻。否則，繼續(xù)使用本地維持的時間，1PPM有效性篩選流程如圖2（b）所示。

3.2基于時鐘內(nèi)插與TDC結(jié)合的精密時差測量

晶振輸出的1PPS與參考時源的1PPS之間的時差通過精密時差測量單元實現(xiàn)。精密時差測量單元采用時鐘內(nèi)插[9]與時間數(shù)字轉(zhuǎn)換（TDC）技術(shù)結(jié)合的方式完成高精度時差測量。時鐘內(nèi)插完成初步測量，采用恒溫晶振輸出的10 MHz鐘采樣，測量分辨率為10 ns，測量范圍寬，可達(dá)±1 s；TDC完成精測，采用德國ACAM公司的TDC-GPX時間測量芯片，測量精度可達(dá)到27 ps[10]。采用2種方式結(jié)合，實現(xiàn)高分辨率、全范圍的測量，為銣鐘馴服及輸出授時信號相位調(diào)整提供依據(jù)。精密時差測量原理如圖3所示。

時鐘內(nèi)插完成時差信息的初步測量，以參考時源輸出的1PPS作為START信號，以系統(tǒng)輸出的1PPS作為STOP信號，統(tǒng)計START信號與STOP信號之間的時鐘周期數(shù)，獲取初始鐘差信息3=（×1/107） s；使用TDC-GPX時間測量芯片測量START與10 MHz信號上升沿之間的時差1以及STOP信號與10 MHz上升沿之間的時差2，最終獲取時差結(jié)果=1+3-2。

時鐘內(nèi)插測量精度主要由內(nèi)插的頻率信號準(zhǔn)確度決定，本文中使用的頻率參考來源于恒溫晶振，在1 h內(nèi)，恒溫晶振經(jīng)過精密馴服之后，其頻率準(zhǔn)確度可達(dá)≤1E-12[11]，即1 s之內(nèi)給測量帶來的誤差不會超過1 ps。精測的精度由TDC-GPX的測量分辨率決定，其測量分辨率可達(dá)到27 ps，故通過精密鐘差測量，理論上測量精度優(yōu)于28 ps。考慮到機(jī)箱及板卡噪聲會引起信號抖動，結(jié)合以往工程經(jīng)驗，時差測量精度接近±50 ps。

3.3低功耗設(shè)計

為了簡化系統(tǒng)硬件組成，節(jié)約成本，降低功耗，設(shè)計中采用了低功耗晶振源技術(shù)、低功耗算法技術(shù)。

（1）低功耗晶振源技術(shù)

采用低功耗恒溫晶振源，同時在硬件設(shè)計上采取了以下措施：

①盡量減小加熱部分體積，加熱部分體積小于5 mm3；

②保證加熱器同芯片接觸良好，保證被加熱部分熱傳導(dǎo)更充分；

③避免加熱器同周圍其他物體接觸，避免熱傳導(dǎo)散熱；

④加熱器表面采取拋光處理，減少對外輻射；

⑤采用金屬盒將整個加熱系統(tǒng)封閉起來，減少對外對流傳導(dǎo)；

⑥盡量減少金屬盒體積，提高內(nèi)部熱密度；

⑦金屬盒內(nèi)貼ABS塑膠隔熱，塑膠表面電鍍鋁膜，增強(qiáng)熱反射率。

通過實測，普通方式加熱功率約為1.2 W，采取低功耗晶振源技術(shù)以后可以降低到0.25 W，大大降低了系統(tǒng)功耗。

（2）低功耗算法技術(shù)

為了使硬件更簡單，采用無壓控技術(shù)，實現(xiàn)原理如圖4所示。

正常跟蹤參考期間，低功耗晶振和外參考1PPS進(jìn)行比相，測量出低功耗晶振的頻差和相差，根據(jù)頻差和相差對輸出分頻定時器進(jìn)行調(diào)整，輸出高精度的1PPS。同時采集環(huán)境溫度，根據(jù)測量的頻率，結(jié)合時間因數(shù)和環(huán)境溫度因數(shù)，分別計算出晶振的老化和溫度特性。進(jìn)入守時期間，根據(jù)學(xué)習(xí)的溫度特性、老化特性，推測晶振頻率，動態(tài)調(diào)整分頻和相位調(diào)整參數(shù)，實現(xiàn)高精度守時。

以上設(shè)計充分利用軟件算法技術(shù)，簡化了硬件構(gòu)成，功耗很低。同時，在系統(tǒng)守時運(yùn)行期間，通過降低CPU運(yùn)行主頻，自動休眠與守時無關(guān)進(jìn)程，可大幅度釋放CPU資源，通過實測，CPU的工作電流可穩(wěn)定在8 mA以內(nèi)，大大降低守時運(yùn)行時的系統(tǒng)功耗。

4結(jié)束語

本文利用BD/GPS授時的高精度特性以及短波授時的高可靠性校準(zhǔn)本地恒溫晶振，得到了一種高可靠的高精度授時系統(tǒng)，同時，采用低功耗設(shè)計，簡化系統(tǒng)硬件組成，有效節(jié)約了成本，降低了功耗。試驗表明，上電馴服30 min，本系統(tǒng)的定時精度達(dá)到±1E-10，滿足高精度授時領(lǐng)域的應(yīng)用需求。

參考文獻(xiàn)

[1]袁江斌，李實鋒，閆溫合，等.基于擴(kuò)頻體制的短波時號發(fā)播新方案及可行性分析[J].宇航計測技術(shù)， 2019， 39（5）： 38-43.

[2]陳永奇，邢燕，陳穎明. BPM短波定時接收機(jī)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].時間頻率學(xué)報，2016，39（2）：95-103.

[3]袁江斌，華宇，李實鋒，等.OFDM技術(shù)在BPM短波數(shù)據(jù)調(diào)制中的應(yīng)用探討[J].時間頻率學(xué)報，2019，42（2）：169-175.

[4]劉開琦.四通道一體化短波接收前端的研究與應(yīng)用[D].成都：電子科技大學(xué)，2019.

[5]蔡欣榮，司娜.基于GPS和短波的高精度時鐘系統(tǒng)研究與設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2014，22（10）：3290-3292，3308.

[6]魏恒，盧麟，蒲濤，等.基于雙纖單向傳輸?shù)氖跁r方法[J].中國激光，2020，47（6）： 277-284.

[7]雷文英，同釗，吳兆平，等.基于載波多普勒的高穩(wěn)定度GNSS時鐘馴服方法[J].空間電子技術(shù)，2018，15（6）：7-11，28.

[8]韓華，董仁智，劉連照.一種時間比對設(shè)備零值的校準(zhǔn)方法[J].無線電工程，2020，50（6）：470-473.

[9]黃安娜，王凌云，遲歆妍.基于FPGA的靶場高精度時間采集系統(tǒng)設(shè)計[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2020，43（3）： 29-35.

[10]郭紅玉，余慶龍，荊濤.TDC-GPX在飛行時間測量系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電子設(shè)計工程，2018，26（10）：49-52，57.

[11]劉鐵強(qiáng)，霍婧.基于北斗授時的時鐘馴服系統(tǒng)設(shè)計[J].無線電工程，2018，48（7）：569-572.