戎 強 劉鐵強 賈杰峰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北 石家莊050081;2.河北省衛(wèi)星導航技術與裝備工程技術研究中心,河北 石家莊 050081)

0 引 言

靶場間儀器組碼(IRIG)是美國靶場司令委員會制定的一種時間標準,共有4種并行二進制時間碼格式和6種串行二進制時間碼格式。串行時間碼傳輸距離較遠,共有六種格式:A,B,D,E,G,H,它們的主要差別是時間碼的幀速率不同和所表示的時間信息不同[1]。其中,B碼已經成為一種國際通用的靶場測量與時間統(tǒng)一系統(tǒng)(簡稱時統(tǒng))專用時間碼,主要用于保持被控對象與測量系統(tǒng)時間的高度統(tǒng)一,并提供高精度的時間信號[2]。靶場測量、控制、計算、通信、氣象、電力等領域的時統(tǒng)設備均采用國際標準的IRIG-B格式時間碼(簡稱B碼)作為其時間同步的標準,其特點是速率適中、編碼信息量豐富、通用規(guī)范及使用靈活方便[3]。

國內在用的B碼有兩個版本:1997年6月25日發(fā)布了GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規(guī)范》,并于1997年12月01日起開始實施;2008年3月30日又發(fā)布的GJB 2991A-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》,并于2008年06月01日起開始實施。目前,國內兩種版本的B碼均在使用。

1 B碼構成與原理

1.1 B碼結構

B碼采用碼元、索引計數、位置標識位、碼字等參數進行描述。

1)碼元

B碼時間格式里的每個脈沖稱為碼元,碼元的“準時”參考點是其脈沖前沿,碼元的重復速率稱為碼元速率。B碼的碼元速率為100 pps.

2)索引計數

每個碼元序號由索引計數所確定。索引計數由幀基準起、從0開始計數,并依次加1,直到幀結束。

3)位置標識位

B碼位置標識位是索引計數間隔的0.8倍(8 ms),位置標識位P0的前沿在幀參考點前一個索引計數間隔處,以后每10個碼元有1個位置標識位,分別為P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9、P0.B碼的位置標識位的重復速率為碼元速率的十分之一,即10 pps.

4)幀頭參考碼元Pr

幀頭參考碼元Pr是由一個位置標識位和相鄰的參考碼元組成。B碼的參考碼元的寬度為8 ms.時幀的“準時”參考點是參考碼元的前沿。

5)碼字

所有的時間格式都是脈寬碼,B碼的二進制“1”和“0”的脈寬分別為5 ms和2 ms.

6)時幀

一個時間格式幀從幀參考碼元開始,由兩個相鄰幀參考碼元間的所有碼元組成。時幀的重復速率為時幀速率,其周期為1 s.

7)時間編碼

時間編碼從幀參考碼元開始分別為第0、1、2、…、99個碼元。在B碼時間格式中含有秒、分、時、天、年等信息,其位置在P0～P5間。P6～P10包含其他控制信息,如一些特標信號。其中,秒信息占用第1、2、3、4、6、7、8碼元,分信息占用第10、11、12、13、15、16、17碼元,時信息占用第20、21、22、23、25、26、27碼元，如表1所示。

表1 時間編碼位置

1.2 信息內容

目前,國內GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規(guī)范》和GJB 2991-2008《B時間碼接口終端通用規(guī)范》兩種版本的B碼都在使用,其包含的時間信息存在差異。

1.2.1 GJB 2991-1997版B碼信息

B碼的時間信息采用BCD碼編碼,即十進制時間信息的每個十進制位是二進制編碼,它的次序由低到高,所表達的時間如下:

秒:從00到59,共7個碼元,即7位;分:從00到59,共7位;時:從00到24,共6位;天:從001到365或366,共10位,即每年的1月1日編為第001天,而將12月31日編為第365天或第366天[4]。

天、時、分、秒均用BCD碼表示,低位在前,高位在后;個位在前,十位在后[5]。

1.2.2 GJB 2991-2008版B碼信息

GJB 2991-2008版B碼中的時間碼是基于UTC的,時間信息的碼元稱為時間編碼。時間編碼采用BCD編碼表示秒、分、時、天、年[6]。

相對于GJB 2991-1997版B碼,GJB 2991-2008版B碼增加了閏秒標志和年信息。

其中,年的個位和十位的BCD編碼交替出現在索引計數的45～48位,并且年的個位與偶數秒出現在同一幀內。當年的十位標志位為1時,索引計數的45～48位表示年的十位;反之,表示年的個位。當年的十位無法與奇數秒對應時(閏秒時),舍棄年的十位。

閏秒標志用于控制B碼終端進行閏秒調整,閏秒標志碼元索引計數為27、28所對應的兩個碼元。當B碼傳輸的UTC時間需要向后閏秒調整時,閏秒標志編碼為01;當需要向前閏秒調整時,閏秒標志為10.正閏秒或負閏秒應發(fā)生在一個月(UTC時間)的最后1 s.最優(yōu)選擇是12月底或6月底;次優(yōu)選擇是3月底或9月底。正閏秒開始于一個月最后一天的23時59分60秒,結束于下一個月第一天的0時0分0秒;負閏秒開始于一個月最后一天的23時59分58秒之后,結束于下一個月的第一天0時0分0秒。

1.3 交流B碼

采用正弦波對B碼進行幅度調制,正弦波的頻率與碼元速率嚴格相關,為碼元速率的十倍,同時,其正交過零點與所調制格式碼元前沿符合,標準調制比為3.3∶1,調制比變化范圍為2∶1～6∶1之間[5]。

2 工程應用常見問題

2.1 典型應用實例

B碼在工程應用中一般與時頻系統(tǒng)配合應用,時頻系統(tǒng)為B碼設備提供高精度的頻率參考,作為其主時鐘,大型系統(tǒng)還可以通過溯源鏈路獲得更為穩(wěn)定的時間基準。B碼典型應用一般包括B碼時間服務器、B碼終端、B碼解碼卡,如圖1所示。

圖1 B碼工程應用示意圖

B碼時間服務器是最頂層的B碼應用,它要求B碼所攜帶的時間信息具有最高的準確度,應與時頻中心或時頻系統(tǒng)保持嚴格的時間同步(一般≤100 ns)。B碼時間服務器是整個系統(tǒng)的時間中心,輸出的B碼時間為系統(tǒng)基準時間。

B碼終端一般作為中繼設備,它以B碼時間服務器提供的高精度B碼信號為參考,同時對收到的B碼進行解碼,并依靠高精度系統(tǒng)時鐘合成本地B碼,從而實現B碼中繼和本地B碼的多路分配與傳輸。B碼終端需要嚴格保持B碼所攜帶的時間信息的準確度,應與參考信號保持較高的同步精度(一般≤200 ns)。

B碼解碼終端是一種基于PCI總線的計算機專用譯碼終端,通過解碼提取出時間信息,并通過PCI總線將時間送給計算機,從而實現B碼授時。

2.2 B碼應用常見問題

2.2.1 無法跨年和閏秒問題

有些工程由于建設周期長或對原有時頻系統(tǒng)進行改建、擴建等原因,仍在使用GJB 2991-1997版本的B碼。GJB 29911-1997版本的B碼本身沒有“年”和“閏秒”信息,存在無法跨年和閏秒問題,即在跨年時整個B碼鏈路無法獲得任何跨年信息或標志,會引起跨年后時間的錯誤;此外,該版本B碼也不支持閏秒,存在安全隱患。

2.2.2 B碼中斷與恢復時存在時間錯誤問題

在中心時統(tǒng)設備或B碼時間服務器故障停機并恢復工作時,因其初期工作狀態(tài)不穩(wěn)定可能導致中繼B碼終端時間碼錯誤,造成嚴重后果,如圖2所示。

圖2 B碼中斷與恢復時存在時間錯誤(a)中斷； (b)恢復

圖2(a)中,當中心時統(tǒng)設備和B碼時間服務器故障時,B碼時間服務器停止提供B碼服務,B碼終端自動轉入守時狀態(tài),仍可正常為系統(tǒng)提供B碼服務。

圖2(b)中,當中心時統(tǒng)設備和B碼時間服務器剛啟動時,因時頻系統(tǒng)和B碼時間服務器都不穩(wěn)定,B碼時間服務器輸出的時間一般都與真實時間不符;此時,中繼B碼終端在檢測到外部B碼后會自動以收到的B碼為參考進行授時輸出;同理,后續(xù)B碼解碼終端獲得的時間也是錯誤的。時間服務處于錯誤狀態(tài),會引起嚴重后果。

2.2.3 受擾時間跳變問題

B碼鏈路受外部強電磁干擾的影響可能會出現時間跳變,導致解碼終端解碼錯誤,從而引起時間跳變,存在隱患。

2.2.4 交流B碼幅度與調制比受限問題

在靶場或地面站常利用交流B碼進行授時,交流B碼的幅度和調制比調整一般都通過調整可調電阻器進行控制,在設備調試階段尚可操作,但當系統(tǒng)完成集成和裝備后,一旦需要進行交流B碼幅度與調制比的調整將非常困難,甚至有時需要設備斷電并打開設備機箱才可操作?？梢?這種依靠硬件進行交流B碼幅度和調制比調整的方法靈活性差、操作不便。

3 針對性優(yōu)化設計

3.1 B碼版本切換與軟件跨年及閏秒設計

針對GJB 29911-1997版本無法跨年及閏秒問題,可采用B碼版本切換與軟件跨年及閏秒方法進行解決。

GJB 29911-1997版本的B碼在時間跨年時,可采用軟件跨年與閏秒設計,即在用時設備端的軟件程序中維護連續(xù)的“年”信息與“閏秒”定時器,并提前設定跨年定時器,當時間到達“年末歲初”的那一秒時,在計算機軟件程序中根據定時器的提示標志進行自動跨年;當需要“閏秒”時,可提前通過“閏秒”定時器在用時設備端的軟件程序中通過設定“閏秒標志”進行閏秒。

此外,在B碼設備設計時可采用GJB 29911-1997版本與GJB 29911-2008版本B碼兼容的硬件設計,在軟件層面可通過程控切換選擇GJB 29911-1997版本或GJB 29911-2008版本的B碼,當需要版本升級時不需要進行硬件設備的更換,只需要進行程控切換即可。該設計提高了B碼設備的適用范圍,特別適用于長期連續(xù)運行的系統(tǒng),可帶來方便、降低成本。

3.2 B碼恢復強制守時設計

針對B碼中斷與恢復時存在時間錯誤問題,可采用B碼恢復強制守時技術。

該技術需要在B碼終端采用“授時模式”、“守時模式”、“強制守時模式”三種工作狀態(tài)可轉換的設計。“授時模式”是指B碼終端接收外部B碼并進行多路分配的工作模式;“守時模式”是指B碼終端可以接收外部B碼但接收不到外部B碼時,依靠自身時鐘進行時間外推的工作模式;“強制守時模式”是指不接收外部B碼的工作模式,僅依靠自身時鐘進行時間外推的工作模式。

當中心時統(tǒng)設備或B碼時間服務器恢復前,需人工程控將B碼終端切換進入“強制守時模式”,即此時無論外部B碼和外部10 MHz正確與否均不接受外部B碼和外部10 MHz,從而避免接收錯誤時間;當中心時統(tǒng)設備或B碼時間服務器完全恢復正常后,這時人工程控切換B碼終端解除“強制守時模式”,使B碼終端進入“授時狀態(tài)”。從而,保證了用戶端B碼一直保持正常。

需要指出的是,因B碼終端內置時鐘的準確度水平有限,因此不支持長時間的“守時模式”和“強制守時模式”,若時間太長可能會導致B碼終端內置時鐘外推時間與真實時間發(fā)生偏差,從而導致解除“強制守時模式”時發(fā)生時間跳變。

3.3 B碼接收解碼容錯設計

針對B碼受擾時間跳變問題,可采用B碼接收解碼容錯技術進行解決。

B碼接收解碼容錯是指當解碼得到連續(xù)3秒正確的B碼信號后再進行時間改變,否則,總是在上一秒正確時間的基礎上按照時間變換規(guī)則進行時間外推。以“當前時間”為2014年1月5日10時10分08秒為例進行說明,如表2所示。

表2 解碼容錯技術示例

由表2看出,當前秒的正確時間應是“2014.01.05 10∶10∶11”,采用B碼接收解碼容錯技術有如下效果:

第1組,連續(xù)3 s時間全部是正確時間,最終得到的“當前秒”時間正確;

第2組,連續(xù)3 s時間的“當前秒-2 s”是錯誤時間,最終得到的“當前秒”時間正確;

第3組,連續(xù)3 s時間的“當前秒-1 s”和“當前秒-2 s”都是錯誤時間,最終得到的“當前秒”時間正確;

第4組,連續(xù)3 s時間的都是錯誤時間,且時間連續(xù),最終得到的“當前秒”時間錯誤(時間發(fā)生改變);

第5組,連續(xù)3 s時間的都是錯誤時間,但時間不連續(xù),最終得到的“當前秒”時間還是正確時間。

可見,除非連續(xù)出現三 s及以上的錯誤時間,且錯誤時間連續(xù),B碼授時才會出現錯誤。采用容錯技術可以濾除B碼鏈路因受干擾而產生的瞬時時間跳變,極大的提高B碼信號的抗干擾能力。

3.4 交流B碼數控幅度與調制比設計

針對交流B碼幅度與調制比受限問題,可采用交流B碼數控幅度與調制比技術進行解決,其原理圖如圖3所示。

程控指令控制數字調制器按照指定的幅度和調制比產生對應的數控地址數據,通過數控地址線控制DA轉換器產生相應的臺階波,濾波處理后得到相應幅度和調制比的交流B碼。交流B碼數控幅度與調制比技術示意圖，如圖4所示。

圖3 交流B碼數控幅度與調制比技術原理圖

圖4 交流B碼數控幅度與調制比技術示意圖

標準交流B碼的幅度為3.3 V,調制比為3.3∶1,交流B碼數控幅度可以實現1 V、2 V、3 V、4 V、5 V、6 V、7 V、8 V、9 V、10 V的調整,且每一種電壓都可以實現2∶1、3.3∶1、4∶1、5∶1、6∶1共5種數控調制比的調整,共計50種選項,極大的提高了交流B碼的適用范圍。

4 工程應用

某衛(wèi)星導航測試場系統(tǒng)的時間頻率子系統(tǒng)在初樣階段出現了無法跨年和閏秒、B碼中斷與恢復時存在時間錯誤、受擾時間跳變、交流B碼幅度與調制比受限等問題。

在正樣階段進行了如下改進:

1)采用B碼版本切換與軟件跨年及閏秒設計,并優(yōu)先使用GJB 2991-2008版本B碼,從體制上彌補了GJB 2991-1997版本B碼固有的無法跨年問題;

2)B碼終端的設計采用“授時模式”、“守時模式”和“強制守時模式”三種工作模式,避免了B碼服務器在發(fā)生時間中斷后,設備恢復初期可能出現的時間錯誤;

3)采用B碼解調容錯技術,避免了B碼終端和B碼解碼終端在測試場復雜電磁環(huán)境條件下可能出現的信號受擾時間錯誤;

4)交流B碼的產生采用數控幅度和數控調制比設計,可以根據需要在監(jiān)控中心對交流B碼的幅度和調制比進行遠程設置,方便快捷,提高了交流B碼的適用范圍。

目前,該系統(tǒng)已經連續(xù)運行三年多,B碼授時服務零故障。

5 結束語

通過對B碼信號進行深入分析和研究,針對B碼工程應用中常見的幾個問題提出了切實有效的解決措施,提高了B碼授時服務的穩(wěn)定性和可用性,并在工程應用中取得了良好的效果,具有一定的推廣價值。

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[3]吳 衛(wèi),陳建軍,宋 虎.基于FPGA的IRIG-B碼解碼器的實現[J].雷達與對抗,2003,3:37-40.

[4]李群續(xù),張滬玲,李冠宇.岸船衛(wèi)星雙向對時應用系統(tǒng)IRIG-B碼設計[J].無線電工程,2010,40(2):42-43,60.

[5]國家標準GJB2991A-1997 B時間碼接口終端通用規(guī)范[S].1997.

[6]國家標準GJB2991A-2008 B時間碼接口終端通用規(guī)范[S].2008.