楊志剛，鄭麗麗

(中國電子科技集團(tuán)公司第27研究所通信技術(shù)室，河南鄭州 450047)

由于地球自轉(zhuǎn)速度減慢，UTC同TAI時間誤差在2012年上半年就已＞0.9 s，北京時間2012年7月1日07時59分59秒(世界時6月30日23時59分59秒)全球同時進(jìn)行閏秒，北京時間將出現(xiàn)07時59'60″的罕見景象。

國內(nèi)在6月至7月間進(jìn)行了神州八號飛船與天宮一號的自動及手動交會對接試驗任務(wù)。而閏秒的出現(xiàn)打破了每分鐘60 s的時間運(yùn)行規(guī)律，作為航天測控和彈道測控設(shè)備時頻分系統(tǒng)中的IRIG-B碼終端是否能適應(yīng)閏秒對時間的調(diào)整，能否保證整個測控系統(tǒng)在閏秒時刻與UTC時間一致，并滿足所有測控系統(tǒng)時間的統(tǒng)一，使測控系統(tǒng)圓滿完成此次任務(wù)。鑒于這種情況，由航天測控總體單位牽頭，從4月開始對國內(nèi)正在使用和進(jìn)行研測控設(shè)備進(jìn)行了調(diào)研，調(diào)研結(jié)果顯示GJB 2991—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范中并未出現(xiàn)對閏秒的要求，幾乎所有測控設(shè)備中的時頻分系統(tǒng)均無閏秒的調(diào)整功能。為確保此次任務(wù)，應(yīng)完成對之前研制的測控設(shè)備中時頻分系統(tǒng)的改造，保障交會對接測控設(shè)備的時間統(tǒng)一。

應(yīng)用于航天測控中的IRIG-B碼終端，其可靠性要求較高，通常采用冗余設(shè)計［1］，利用GPS系統(tǒng)、北斗系統(tǒng)和外部IRIG-B碼多種時間系統(tǒng)作為終端的外部時間基準(zhǔn)。根據(jù)對在用測控設(shè)備時頻分系統(tǒng)改造實(shí)踐，結(jié)合現(xiàn)階段時頻分系統(tǒng)中IRIG-B碼終端要求，提出了在IRIG-B碼終端中閏秒的處理方法與流程。以下分別介紹了閏秒的出現(xiàn)對航天測控的影響、外部時間基準(zhǔn)、IRIG-B碼終端設(shè)計和終端中時間信息及閏秒的處理。

1 閏秒對航天測控的影響

國際原子時(TAI)是基于國際單位系統(tǒng)中的SI秒。TAI利用全球分布的同步原子鐘系統(tǒng)得到，計算時對單臺原子鐘的時間加權(quán)平均，并對已知影響因素修正。平時所用的世界協(xié)調(diào)時(UTC)是一種折衷的世界尺度，利用原子時的速率，而在時刻上逼近世界時。UTC同TAI相差0.9 s，便對UTC作一整數(shù)秒的調(diào)整，也就是通常所說的“閏秒”。由于地球活動的不可預(yù)知性，也導(dǎo)致閏秒的不可預(yù)知［1］。正常情況下，UTC在6月30日或12月31日的最后一秒進(jìn)行，國內(nèi)采用同UTC同時調(diào)整的方法進(jìn)行閏秒，所以對于北京時間，就相應(yīng)在7月1日或1月1日7時的最后一秒。在閏秒時，由國家授時中心提前8周發(fā)布閏秒信息。

時間頻率分系統(tǒng)作為測控系統(tǒng)的重要組成部分之一，擔(dān)負(fù)著為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確而穩(wěn)定的時間頻率基準(zhǔn)的任務(wù)。時頻分系統(tǒng)須適應(yīng)閏秒對時間的調(diào)整。否則，將造成分布在不同地區(qū)的測控系統(tǒng)與國家測控中心時間的不統(tǒng)一，從而引發(fā)測控站間的通信不暢，無法共享數(shù)據(jù)，導(dǎo)致測控數(shù)據(jù)計算分析錯誤甚至將造成測控任務(wù)的失敗。

2 外部時間基準(zhǔn)

2.1 IRIG-B碼

IRIG-B碼是美國靶場測量組織制定的標(biāo)準(zhǔn)時間碼格式，其在國際上已得到了廣泛的應(yīng)用，且已成為國際通用標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合國內(nèi)航天測控和時頻技術(shù)的發(fā)展，新制定的 GJB 2991A—2008《B時間碼接口終端》規(guī)范［2］，作為IRIG-B碼終端的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定IRIG-B碼分為直流碼和交流碼兩種碼型，其中交流碼是以1 kHz正弦波載頻對直流碼幅度調(diào)制后形成的，碼元幀格式如圖1所示。同GJB 2991—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范相比，新標(biāo)準(zhǔn)在碼元定義中，增加了閏秒修正標(biāo)志和年編碼，時間碼編碼位置如表1所示。

圖1 IRIG-B碼元的幀格式

其中年的個位和10位交替出現(xiàn)于45～48位，年的個位與偶數(shù)秒出現(xiàn)在同一幀中，年的10位標(biāo)志為“1”時，表明45～48位表示的是年的10位，反之，則是年的個位，在閏秒時，年的10位無法與奇數(shù)秒相對應(yīng)時，舍棄年的10位。

閏秒標(biāo)志用于控制B碼接口終端進(jìn)行閏秒調(diào)整，閏秒標(biāo)志碼元為索引計數(shù)27、28所對應(yīng)的兩個碼元。當(dāng)B碼傳輸?shù)腢TC時間需向后閏秒調(diào)整時，閏秒標(biāo)志編碼為01;當(dāng)需向前閏秒調(diào)整時，閏秒標(biāo)志編碼為10。

表1 時間編碼位置

2.2 GPS時間和北斗時間

GPS時間是一個與UTC相似但卻完全不同的原子時系統(tǒng)［3］。GPS時間與UTC時間的區(qū)別在于GPS無閏秒，而UTC閏秒的引入使得GPS時間與協(xié)調(diào)時UTC之差為已知累計閏秒的整數(shù)［3］。GPS廣播電文并不直接提供標(biāo)準(zhǔn)時間信息，其標(biāo)準(zhǔn)時間信息通過GPS時間歷元零點(diǎn)、星期計數(shù)器和星期中的時間計算獲得。在廣播電文中，提供與UTC時間累計閏秒的整數(shù)及提前8周預(yù)報閏秒信息。

北斗系統(tǒng)與GPS相同，其時間系統(tǒng)無跳(閏)秒，系統(tǒng)時間與中國科學(xué)院授時中心的UTC(NTSC)保持一致，相差＜1 μs。所傳輸?shù)拿總€超幀電文信息中，包含如下基本信息［3］:

時刻:表示本超幀第一幀對應(yīng)的時刻，分化值為1 min。

閏秒:表示 UTC的閏秒，表示北斗系統(tǒng)時間和UTC整秒差值，分化值為1 s。電文信息中實(shí)時告知當(dāng)前北斗時間和UTC的閏秒信息，同時在發(fā)生閏秒調(diào)整時會提前1 min預(yù)告相關(guān)信息。

時差:表示北斗系統(tǒng)時間和中國國家授時中心發(fā)布的UTC時差值＜1 s的部分，分化值為10 ns。

3 IRIG-B碼終端設(shè)計

3.1 工作原理

IRIG-B碼終端主要有基準(zhǔn)接收選擇和時間信息處理及生成B碼組成［4］，如圖2所示。工作原理為接收GPS接收機(jī)、北斗接收機(jī)和外時統(tǒng)B碼解調(diào)時間基準(zhǔn)與信息，根據(jù)基準(zhǔn)狀態(tài)和監(jiān)控命令選擇其中一種時間基準(zhǔn)及信息作為IRIG-B碼終端生成IRIG-B碼的時間參考源。對時間參考源中時間信息處理后，利用時頻分系統(tǒng)中的時鐘信號進(jìn)行同步分頻，產(chǎn)生2 ms、5 ms、8 ms同步信號，分頻后進(jìn)行同步編碼生成IRIGB碼［5］。IRIG-B碼終端作為航天測控設(shè)備時頻分系統(tǒng)的一部分，其監(jiān)控采用分控和遠(yuǎn)控兩種模式;分控是利用IRIG-B碼終端前面板進(jìn)行功能設(shè)置和狀態(tài)查詢，遠(yuǎn)控則是利用遠(yuǎn)控計算機(jī)對其終端前面板進(jìn)行相關(guān)設(shè)置及查詢。

圖2 IRIG-B碼終端原理框圖

3.2 IRIG-B碼終端硬件設(shè)計

硬件電路主要包括:接收機(jī)電路、基準(zhǔn)接收選擇電路、時間信息處理及編碼電路和監(jiān)控電路4部分組成［6］。其中接收機(jī)電路根據(jù)對時間同步精度的需求分析，選擇相應(yīng)的接收機(jī)和對應(yīng)的接口芯片，進(jìn)行接收機(jī)的時間基準(zhǔn)和信息的提取;另外3部分電路采用Alter公司的 EP1C12Q240I7和 EPCS4芯片組成，利用EP1C12Q240I7內(nèi)部PLL數(shù)字鎖相環(huán)電路，將時鐘頻率倍頻到200 MHz，以此IRIG-B碼編碼時同步分頻的同步信號的同步精度。監(jiān)控電路中遠(yuǎn)控模式根據(jù)測控系統(tǒng)的要求，采用RS422A差分信號與監(jiān)控分系統(tǒng)計算機(jī)通信，完成遠(yuǎn)控命令的接收和狀態(tài)的上報;分控模式的操作面板處于前面板，由鍵盤和顯示屏組成，利用前面板的操作可完成功能設(shè)置和狀態(tài)查詢，進(jìn)行單機(jī)的功能測試。硬件電路組成如圖3所示。

圖3 RIG-B碼終端硬件組成圖

利用FPGA構(gòu)建的硬件電路具有集成化程度高、程序采取并行方式運(yùn)行和處理速度快的特點(diǎn)。其功能的實(shí)現(xiàn)主要通過FPGA編程，對于設(shè)備功能的增加僅需升級軟件便可完成，無需修改硬件電路，此次終端增加適應(yīng)閏秒功能的改造，僅是通過升級FPGA程序而完成的。

4 時間信息及閏秒的處理

4.1 時間信息處理

由《B時間碼接口終端》規(guī)范可知，在參考秒基準(zhǔn)上升沿后10 ms時必須取得當(dāng)前秒的時間信息，否則無法進(jìn)行正常編碼。而對于GPS、北斗和外部IRIG-B碼在基準(zhǔn)沿后10 ms時均可無法解調(diào)出當(dāng)前秒的時間信息，由圖1可知，在IRIG-B碼信號參考秒基準(zhǔn)沿480 ms后才可完全解調(diào)出當(dāng)前秒的時間信息，而對于GPS和北斗系統(tǒng)，不同衛(wèi)星接收機(jī)提供的當(dāng)前秒時間信息需要在秒基準(zhǔn)沿后時間有所不同，通常需要100～200 ms，如圖4所示。

圖4 GPS北斗秒基準(zhǔn)同串口信息的時序圖

通過解調(diào)外部基準(zhǔn)的當(dāng)前秒時間信息，不可直接用作生成B碼編碼的時間信息。否則，編碼時間信息與實(shí)際時間將慢1 s，需對解調(diào)出的時間信息根據(jù)時間的運(yùn)行規(guī)律，采用在當(dāng)前秒基準(zhǔn)沿后將上一秒解調(diào)出的時間信息加1 s的方法對該信息進(jìn)行處理，以此作為IRIG-B碼編碼的時間信息。而閏年的處理可通過判別，由軟件自動完成，但閏秒由于不可預(yù)知，因此需在閏秒時提前發(fā)布公告，根據(jù)不同外部參考基準(zhǔn)和測控站的需求，采取不同方式進(jìn)行相應(yīng)的處理。時間處理程序流程如圖5所示，程序在秒基準(zhǔn)信號上升沿后執(zhí)行。

圖5 時間信息處理流程

在整個時間信息處理流程中，并未詳細(xì)介紹閏秒修正的過程，以下針對不同情況，介紹閏秒的處理過程。

4.2 閏秒處理

IRIG-B碼終端的研制過程，對閏秒處理的前提是需了解閏秒的發(fā)生時刻和類型，判斷閏秒類型是正閏秒或負(fù)閏秒［7］。預(yù)告信息可通過GPS和北斗接收機(jī)接收的導(dǎo)航電文、IRIG-B碼外部基準(zhǔn)信息以及國家授時中心提前8周發(fā)布的閏秒信息中獲得。盡管GPS和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)提供的電文中包括了閏秒的預(yù)報信息，但這2種模塊可提供閏秒預(yù)報信息量較少，只能提供正確的UTC時間;除此之外，某些測控站提供的IRIG-B碼基準(zhǔn)是按照GJB2991A—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范研制的，其閏秒時編碼中提供的時間信息與UTC時間相比存在了2 s的誤差。

閏秒預(yù)告信息的獲得采用從外部參考基準(zhǔn)解調(diào)信息中提取和國家授時中心發(fā)布的預(yù)告信息兩種方式相結(jié)合。IRIG-B碼終端監(jiān)控模塊通過接收本機(jī)前面板設(shè)置的閏秒命令或測控站遠(yuǎn)控下發(fā)的閏秒命令以及基準(zhǔn)接收解調(diào)上報各基準(zhǔn)閏秒預(yù)報信息，將二者邏輯組合后，下發(fā)到時間信息處理和生成B碼模塊。對于閏秒處理要求在秒中斷后，接收基準(zhǔn)解調(diào)出的前一秒時間信息，判斷指令是否具有閏秒要求，若無要求，直接進(jìn)行秒加1處理程序。否則，對閏秒類型進(jìn)行判斷。下面針對不同閏秒類型的處理分別做出了介紹。

(1)閏秒類型為正閏秒時:判斷接收的前一秒的時間信息是否為7月1日7時59'59″或1月1日7時59'59″(北京UTC時間閏秒時刻)，若是，當(dāng)前秒直接設(shè)定為7月1日7時59'60″或1月1日7時59'60″，完成當(dāng)前秒的時間信息處理;若不是，則判斷前一秒的時間信息是否為7月1日7時59'60″或1月1日7時59'60″，若是，將當(dāng)前秒直接設(shè)定為7月1日8時00'00″或1月1日8時00'00″，完成當(dāng)前秒的時間信息處理及閏秒處理，取消閏秒命令。反之，進(jìn)入秒加1程序，下一秒繼續(xù)采用前述的方式進(jìn)行閏秒處理，直至完成閏秒。

(2)閏秒類型為負(fù)閏秒時:判斷接收的前一秒的時間信息是否為7月1日7時59'58″或1月1日7時59'58″(北京UTC時間閏秒時刻)，若是，當(dāng)前秒直接設(shè)定為7月1日8時00'00″或1月1日8時00'00″，完成當(dāng)前秒時間信息處理及閏秒處理，并取消閏秒命令。若不是，則進(jìn)入秒加1程序，下一秒繼續(xù)采用前述的方式進(jìn)行閏秒處理，直至完成閏秒。

對于采用以 GJB2991A—1997《B時間碼接口終端》規(guī)范的IRIG-B碼作為外部基準(zhǔn)時，可將研制終端設(shè)定在守時情形下進(jìn)行閏秒，完成閏秒后再將IRIG-B碼設(shè)置為外部基準(zhǔn)，以規(guī)避原規(guī)范導(dǎo)致的錯誤。

5 結(jié)束語

通過7月1日的觀察，利用文中介紹的時間信息處理及閏秒處理方法，改造后的IRIG-B碼終端適應(yīng)閏秒對時間的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)測控站間的時間統(tǒng)一。對在研的IRIG-B碼終端設(shè)備，采用模擬不同的外部基準(zhǔn)條件下進(jìn)行閏秒，驗證了終端對閏秒的適應(yīng)能力，針對不同基準(zhǔn)可靈活、方便地進(jìn)行閏秒。

［1］童寶潤.時間統(tǒng)一系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2003.

［2］王偉，王莉，黃曉文.B時間碼接口終端通用規(guī)范(GJB 2991A-2008)［M］.北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部，2008.

［3］李躍，邱致和.導(dǎo)航與定位［M］.2版.北京:國防工業(yè)出版社，2008.

［4］楊志剛，榮文博.多模定時基準(zhǔn)在IRIG-B碼終端中的應(yīng)用［J］.電光系統(tǒng)，2009(3):4-7.

［5］楊志剛，榮文博.GPS＆IRIG-B碼時間系統(tǒng)分析［J］.電子科技，2005(7):4-7.

［6］李杰，李杰燃，張燁.基于EPM7160S的IRIG-B(AC)碼調(diào)制設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2010，18(2):60-62.

［7］邴志光，束坤，顧燕飛.IRIG-B碼在時間同步系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35(7):16-18.