崔保健　才　瀅　趙海鷹

(中國人民解放軍92493部隊89分隊， 遼寧葫蘆島 125000)

0　引言

我國自主知識產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和美國GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)一樣，不僅能夠提供高精度的導(dǎo)航定位信息，還能夠提供準(zhǔn)確的授時信息，即包含衛(wèi)星狀態(tài)、導(dǎo)航定位和精密授時信息的導(dǎo)航電文，這些信息通過微處理器的串口輸出，而且，兩種接收機均提供了精密的秒信號授時信息即1PPS信號，這一信號來自星載源自頻率標(biāo)準(zhǔn)，并受衛(wèi)星地面站的調(diào)整與控制，在一些專用的OEM接收機中還提供了100PPS信號。利用GPS接收機授時信號或載波相位信號，不僅可以進(jìn)行時間傳遞、頻率比對[1-3]對本地頻標(biāo)進(jìn)行馴服，可以大大提高本地頻標(biāo)的技術(shù)性能，相關(guān)技術(shù)和方法不斷報道更新[4-6]和不斷完善，其覆蓋范圍越來越寬廣，其應(yīng)用必將越來越深入。本文對我國的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密授時信號進(jìn)行測試和研究分析，依據(jù)其特點，設(shè)計了基于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的馴服銣鐘的高精度頻率標(biāo)準(zhǔn)，使其技術(shù)性能得到改善，達(dá)到或接近銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能。

1　BD-2授時信號特點分析

項目中采用WBG12型授時型二代北斗系統(tǒng)接收機，該型號是北斗和GPS雙模接收機，將其設(shè)置在北斗模式下，其1PPS輸出信號和安捷倫5071銫鐘的1PPS輸出信號的脈沖相位用53132頻率計數(shù)器進(jìn)行測量，比較銫鐘的1PPS脈沖和BD接收機1PPS脈沖上升沿的相位相對變化，連續(xù)測試5天，對測試結(jié)果進(jìn)行壞值剔除處理后，測試結(jié)果如圖1所示。

圖1　BD2和銫鐘5071的1PPS相位差實測結(jié)果

從圖1中可以看到，北斗接收機的輸出秒脈沖相對于5071s脈沖并不是穩(wěn)定不變的，而是一個抖動量，這主要由大氣層延遲、多普勒效應(yīng)和多路徑效應(yīng)以及接收機解調(diào)噪聲等因素影響，其抖動量大小介于-300～300ns，連續(xù)進(jìn)行5天近120min的測試，其秒脈沖相位特性基本保持不變，沒有明顯的向前或向后的偏移，即盡管秒脈沖前沿有抖動跳變，但長期無漂移，長時間的平均值還是在0附近。

圖2所示為秒脈沖前沿抖動量大小的頻度概率分布圖，秒脈沖誤差的概率分布圖近似為正態(tài)分布曲線，其統(tǒng)計平均值約為1ns，統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)差為33ns，與廠家提供的指標(biāo)完全一致，這些曲線說明了BD-2接收機授時信號確實有很高的定時準(zhǔn)確度，而且無累積漂移，但秒脈沖的前沿的跳動較大。對于許多授時、定時應(yīng)用1μs誤差完全能滿足定時應(yīng)用的要求。但在馴服銣鐘和校頻領(lǐng)域應(yīng)用，如果直接用秒脈沖來校準(zhǔn)銣鐘的頻率，則只能達(dá)到3×10-9的頻率穩(wěn)定度，大大降低銣鐘本身的短穩(wěn)性能，因此，必須采用合適的頻率偏差計算方法和良好的本地銣鐘的控制方法，準(zhǔn)確解算本地銣鐘和星載原子鐘頻率偏差，實現(xiàn)本地銣鐘精密穩(wěn)定控制，才能達(dá)到馴服效果。

圖2　BD-2和銫鐘5071的1PPS相位差統(tǒng)計分析

2　北斗馴服銣鐘技術(shù)方案及工作原理

北斗馴服銣鐘技術(shù)方案框圖如圖3所示。

圖3　北斗馴服銣鐘結(jié)構(gòu)框圖

基于BD-2系統(tǒng)的馴服銣鐘頻率標(biāo)準(zhǔn)主要由接收天線、WBG12+OEM北斗接收機板、LPRO101銣鐘、精密時間間隔測量模塊、精密電壓產(chǎn)生與控制模塊、控制器及馴服銣鐘控制軟件等部分組成。接收機接收衛(wèi)星導(dǎo)航電文信息，解調(diào)后控制產(chǎn)生1PPS或100PPS的定時脈沖信號，導(dǎo)航電文信息、衛(wèi)星狀態(tài)和接收機工作狀態(tài)的監(jiān)控信息通過RS232串口輸出，由微處理器接收識別，并對馴服過程進(jìn)行控制。

由于TDC芯片的最大時間間隔測量為200ms，必須對銣鐘輸出進(jìn)行分頻至大于5Hz，設(shè)計中設(shè)定為100Hz。北斗接收機輸出的1PPS秒信號作為TDC鑒相單元起始脈沖，銣鐘輸出10MHz信號經(jīng)過105分頻后產(chǎn)生的100PPS信號作為TDC鑒相單元停止脈沖，銣鐘輸出10MHz信號作為TDC參考時鐘。由TDC鑒相單元測量起始和停止脈沖的時間間隔，微處理器單元計算出兩信號的相對頻率偏差，根據(jù)銣鐘調(diào)控電壓和頻率偏移量的關(guān)系，控制高分辨率精密模數(shù)轉(zhuǎn)換單元輸出銣鐘控制電壓，調(diào)整銣鐘的輸出信號的頻率，使銣鐘與北斗接收機的1PPS脈沖統(tǒng)計平均頻率保持一致，從而實現(xiàn)銣鐘馴服。

3　關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)計

3.1　數(shù)據(jù)濾波與數(shù)據(jù)處理方法

針對接收機定時信號抖動，有多種數(shù)據(jù)濾波處理方法，如Kalman濾波、Vandrak方法等等，主要解決的技術(shù)問題是在一定的條件下，例如數(shù)據(jù)處理速度、數(shù)據(jù)量大小、內(nèi)存占用等條件約束下，對兩個信號的頻率偏差進(jìn)行穩(wěn)定有效檢測。在設(shè)計中采用ARM結(jié)構(gòu)的STM32F103VE微處理器，內(nèi)部有64k字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器，系統(tǒng)工作時鐘為72MHz。BD-2接收機輸出秒信號的抖動量為100～200ns，如果要達(dá)到10-12的控制分辨率，不僅對D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率要求較高，對于數(shù)據(jù)平滑濾波處理的要求也較高。

本文設(shè)計了算術(shù)平均、滑動平均組合濾波算法和最小二乘法擬合求解頻率偏差。由TDC測量得到的兩個信號的時間間隔數(shù)據(jù)，進(jìn)行算術(shù)平均預(yù)處理，系統(tǒng)采樣次數(shù)為100次，即算術(shù)平均的輸出抖動量減小10倍。對算術(shù)平均輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，采用滑動平均濾波方法，算術(shù)平均輸出序列為：A(WNUM)，滑動平滑窗口大小為WNUM，當(dāng)采樣點數(shù)n小于WNUM時，滑動濾波輸出為：

(2)

當(dāng)n大于WNUM時：

(3)

對平滑窗口內(nèi)數(shù)據(jù)采用最小二乘線性擬合，按下式計算，實現(xiàn)相對頻率偏差的檢測：

(4)

3.2　銣鐘頻率控制方法

銣鐘的控制在開始階段和正常馴服階段其特性有很大不同，第一階段，主要是頻率校準(zhǔn)過程，根據(jù)與BD-2信號測量結(jié)果，對銣鐘的頻率進(jìn)行校準(zhǔn)，使銣鐘輸出頻率接近其標(biāo)稱頻率。第二階段，當(dāng)銣鐘的頻率非常接近其標(biāo)稱頻率達(dá)到2×10-11時，開始引入比例積分PI調(diào)節(jié)，開始馴服控制過程。銣鐘從開機到自身輸出穩(wěn)定，需要5～10min時間，并且，其頻率輸出與標(biāo)稱頻率差別較大，如果在銣鐘自身輸出鎖定后立刻開始采用數(shù)據(jù)平滑濾波和最小二乘法擬合進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，由于兩者偏差較大，將大大延長實際馴服過程，采用分兩個階段的馴服控制過程可以縮短馴服過程。

在銣鐘校準(zhǔn)后的頻率準(zhǔn)確度達(dá)到2×10-11后，銣鐘與BD-2平均頻率偏差很小，調(diào)整量也非常小。因此，在不同的控制階段，銣鐘的控制策略也是不同的。同時，馴服過程并不是要求銣鐘的頻率實時跟蹤于GPS的頻率，而是緩慢調(diào)整跟蹤到BD-2在一定時間內(nèi)頻率的平均值上，在馴服過程中，銣鐘控制電壓的算法引入了非常強的積分效果。

在開機后，BD-2首先尋找并跟蹤衛(wèi)星，銣鐘自身經(jīng)過預(yù)熱，其內(nèi)部鎖相環(huán)鎖定，這時其頻率準(zhǔn)確度為10-10左右。兩者頻率偏差的計算通過固定采樣點數(shù)直接計算，采樣過程中并不對銣鐘進(jìn)行控制調(diào)整，僅在一個采樣周期采樣結(jié)束后，根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合出的頻率偏差結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，采樣為100點，可以控制銣鐘頻率準(zhǔn)確度進(jìn)入10-10，然后增加采樣點數(shù)為500點，可以控制銣鐘頻率準(zhǔn)確度進(jìn)入2×10-11。然后，引入數(shù)據(jù)平均、滑動平均濾波和最小二乘法計算頻率偏差。

實際控制算法如下：

第一步：銣鐘頻率快速校正：

Vn+1=Vn+k1×ΔA( |ΔA| >10-10T=100s)

Vn+1=Vn+k2×ΔA( |ΔA| >2×10-11T=500s)

式中：k1、k2電壓頻率調(diào)整靈敏度系數(shù)；Vn+1本次調(diào)整電壓的數(shù)字量；Vn前一次調(diào)整電壓的數(shù)字量；T采樣周期；ΔA是最小二乘法擬合輸出的相對頻率偏差。

第二步：銣鐘自動跟蹤馴服：

Vn+1=Vn+k3×ΔA1+k4×ΔA2

(5)

式中，k3、k4是電壓頻率調(diào)整靈敏度系數(shù)；ΔA1是100s采樣周期擬合輸出相對頻率偏差；ΔA2是1000s采樣周期擬合輸出相對頻率偏差。

4　馴服結(jié)果分析

BD-2馴服銣頻標(biāo)實測結(jié)果如表1所示，馴服鎖定后，其頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性均得到了大幅提高，并且，其短穩(wěn)特性沒有因為馴服過程引起太大變化，接近銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能。

表1　輸出性能測試結(jié)果

5　結(jié)論

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，體積小巧，技術(shù)性能優(yōu)異，特別是數(shù)據(jù)濾波算法和銣鐘控制算法，與其他方法相比，具有電路簡單實用，濾波算法數(shù)據(jù)存儲量、計算量小，易于采用單片機等嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)?；贐D-2和TDC技術(shù)的銣鐘馴服頻率標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)了高精度時間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號的輸出控制，使銣鐘技術(shù)性能得到了很大提高，不僅可以作為高性能頻率源應(yīng)用于設(shè)備、儀器內(nèi)部，也可作為計量校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備使用，或者作為各級計量技術(shù)機構(gòu)銫原子頻標(biāo)核查裝置，具有較強推廣價值。

[1]高小珣，高源. GPS共視法遠(yuǎn)距時間頻率傳遞技術(shù)研究[J]. 計量學(xué)報，2008，29(1)

[2]梁坤，王偉波，寧大愚. GPS載波相位時間頻率傳遞研究[J]. 計量學(xué)報，2010，31(1)

[3]劉烈昭，周東明，李忠華. GPS時間頻率標(biāo)準(zhǔn)研制[J]. 宇航計測技術(shù)，1997，17(1)

[4]孟慶杰，徐建芬，姜雪松. GPS基頻率標(biāo)準(zhǔn)的計量校準(zhǔn)[J]. 宇航計測技術(shù). 2007，27(5)

[5]侯同強，劉峰.采用GPS對銣原子頻標(biāo)進(jìn)行校頻[J].飛行器測控學(xué)報，2007，26(4)

[6]曾亮，孟慶杰，徐偉. 利用GPS馴服校頻技術(shù)提高晶振性能[J]. 計量技術(shù)，2008(5)