一種提高時(shí)間同步系統(tǒng)守時(shí)精度的方法

潘玲嬌

(江蘇無(wú)線電廠有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

信息科學(xué)的快速發(fā)展及其在社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域中的日益廣泛應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用，同樣也對(duì)軍事領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。作戰(zhàn)系統(tǒng)中的軍用信息網(wǎng)，建設(shè)指控系統(tǒng)、指揮調(diào)度系統(tǒng)等多個(gè)信息系統(tǒng)，多個(gè)信息系統(tǒng)之間的時(shí)間同步，對(duì)作戰(zhàn)的正常開(kāi)展和有效打擊起到了重要的作用。為保證這些系統(tǒng)協(xié)同工作，需要高精度的時(shí)間同步系統(tǒng)，將各系統(tǒng)的時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)一校準(zhǔn)。

軍事作戰(zhàn)主要在隱蔽的山林環(huán)境中部署與活動(dòng)，通常利用自然屏障進(jìn)行偽裝防護(hù)，作戰(zhàn)陣地多部署在山林地區(qū)，地形植被復(fù)雜多樣，易導(dǎo)致時(shí)間同步系統(tǒng)的天線被遮擋，北斗接收信號(hào)受限。此外，敵人常播發(fā)欺騙干擾信號(hào)，干擾一切依賴北斗系統(tǒng)運(yùn)作的武器，導(dǎo)致我軍武器無(wú)法正常接收或接收錯(cuò)誤的北斗導(dǎo)航電文，從而無(wú)法保證各作戰(zhàn)系統(tǒng)的時(shí)間統(tǒng)一。因此，時(shí)間同步系統(tǒng)需要在沒(méi)有北斗作為時(shí)間頻率參考，依然能保障時(shí)間同步系統(tǒng)輸出精準(zhǔn)的頻率、時(shí)間信號(hào)，要求時(shí)間同步系統(tǒng)在各種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)守時(shí)功能。

1 守時(shí)原理

根據(jù)守時(shí)精度的要求，利用以FPGA為控制核心，以北斗模塊的1PPS+TOD為參考，在北斗模塊運(yùn)行穩(wěn)定以后，自動(dòng)與北斗模塊時(shí)間頻率校準(zhǔn)，以保證守時(shí)模塊的1PPS+TOD保持在時(shí)頻裝置斷電前的精度[1]。溫控守時(shí)算法主要實(shí)現(xiàn)掉電守時(shí)模塊進(jìn)入守時(shí)模式時(shí)，溫度傳感器可實(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度變化情況，F(xiàn)PGA根據(jù)環(huán)境溫度及高穩(wěn)晶振的老化特性來(lái)保證守時(shí)模塊的守時(shí)精度[2]。

守時(shí)模塊配有溫度傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)外部溫度變化，根據(jù)外部溫度的變化率、溫度變化總幅度與高穩(wěn)恒溫晶振自身的溫度特性結(jié)合起來(lái)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模[3]，實(shí)時(shí)進(jìn)行溫度特性的補(bǔ)償(見(jiàn)圖1)。通過(guò)FPGA作用于壓控DA進(jìn)行實(shí)時(shí)壓控電壓調(diào)整，讓恒溫晶振保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的頻率范圍內(nèi)，從而降低了溫度大范圍變化導(dǎo)致恒溫晶振自身頻率的變化，從而提高守時(shí)精度。

圖1 守時(shí)原理框

設(shè)備無(wú)外電時(shí)，電池組會(huì)給守時(shí)模塊供電，以保證時(shí)間和頻率的準(zhǔn)確性。FPGA與電池組之間通過(guò)一個(gè)狀態(tài)串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

2 溫控守時(shí)算法

溫控守時(shí)算法主要實(shí)現(xiàn)守時(shí)模塊進(jìn)入守時(shí)模式時(shí)，溫度傳感器可實(shí)監(jiān)控環(huán)境溫度變化情況，F(xiàn)PGA根據(jù)環(huán)境溫度及高穩(wěn)晶振的老化特性來(lái)保證守時(shí)模塊的守時(shí)精度[4]。高穩(wěn)恒溫晶振的頻率準(zhǔn)確度會(huì)隨著時(shí)間和外界環(huán)境變化，主要體現(xiàn)為頻率的溫度穩(wěn)定度和老化特性。

為提高守時(shí)精度，需要從兩個(gè)方面進(jìn)行控制：(1)頻率根據(jù)溫度變化的補(bǔ)償控制；(2)頻率根據(jù)時(shí)間所進(jìn)行的補(bǔ)償控制。

高穩(wěn)恒溫晶振的準(zhǔn)確度受一定的環(huán)境影響，在眾多環(huán)境因素中，溫度的影響尤為嚴(yán)重，本方案從溫度補(bǔ)償出發(fā)，通過(guò)測(cè)量晶振周圍溫度，試驗(yàn)階段借助外參考來(lái)學(xué)習(xí)溫度和晶振頻偏的對(duì)應(yīng)曲線關(guān)系。在正常工作時(shí)，通過(guò)溫度和頻率的曲線關(guān)系，借助溫度貼片芯片的溫度測(cè)量，完成對(duì)頻率的補(bǔ)償，使工作晶振維持到高的精度和穩(wěn)定度。同理時(shí)間的補(bǔ)償亦是如此。

本方案采用在線的線性擬合方法進(jìn)行線性擬合，可以節(jié)省人力，提高程序的自動(dòng)化程度，其在線疊加的線性擬合公式如下：

Slope=

xi為當(dāng)前時(shí)間或者溫度；yi為當(dāng)前頻率；Slope為老化系數(shù)或者溫度系數(shù)。

3 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)大量仿真發(fā)現(xiàn)，守時(shí)的精度隨著采樣溫度數(shù)量的增加，其精度也會(huì)逐漸精準(zhǔn)，適合長(zhǎng)時(shí)間計(jì)算。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量在同一個(gè)環(huán)境下高穩(wěn)恒溫晶振的頻率隨時(shí)間和溫度變化如圖2所示。

圖2 晶振溫度偏移量

可以看出溫度對(duì)于晶振頻率有較大的影響，通過(guò)溫度參數(shù)的計(jì)算，可的剔除溫度對(duì)頻率的影響。如圖3所示。

圖3 晶振消除溫度影響后的頻率偏移量

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出的溫控守時(shí)算法切實(shí)可靠，可有效抑制溫度對(duì)高穩(wěn)恒溫晶振的頻率影響，從而提高守時(shí)精度，在實(shí)際使用中有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值，大大提高了時(shí)間同步系統(tǒng)的守時(shí)精度。