蔡 凡，陳 麗

(1. 南京曉莊學(xué)院，江蘇 南京 211171；2. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái)，上海 200030)

時(shí)間作為一個(gè)基本測(cè)量物理量，不僅對(duì)人們的日常生活和基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域有重要作用，而且對(duì)國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)有十分重要的意義。作為基礎(chǔ)保障平臺(tái)之一的高精度時(shí)間基準(zhǔn)能夠有效提高系統(tǒng)或設(shè)備的穩(wěn)定性。

衛(wèi)星授時(shí)接收設(shè)備及應(yīng)用是一項(xiàng)解決我國(guó)基礎(chǔ)授時(shí)通訊設(shè)施的重要項(xiàng)目，它增強(qiáng)了時(shí)間同步技術(shù)的可靠性，促進(jìn)了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用。目前，全球定位系統(tǒng)接收機(jī)在我國(guó)的市場(chǎng)占有率很大，而北斗系統(tǒng)的用戶主要是國(guó)家機(jī)關(guān)和大型企業(yè)。隨著北斗系統(tǒng)的發(fā)展，其用戶范圍越來越廣，開發(fā)北斗和全球定位系統(tǒng)雙模衛(wèi)星授時(shí)接收機(jī)，有利于擴(kuò)大我國(guó)自主研發(fā)北斗系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，擺脫全球定位系統(tǒng)的重重束縛[1]。全球定位系統(tǒng)是由美國(guó)軍方控制的軍民共用系統(tǒng)，雖然現(xiàn)在對(duì)全世界開放，但是并未承諾我國(guó)可以無限期免費(fèi)使用，這存在重大的安全隱患，一旦全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星導(dǎo)航不能正常工作或者發(fā)生戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)調(diào)整甚至關(guān)閉全球定位系統(tǒng)信號(hào)，將給我國(guó)帶來巨大的影響[2]。

目前我國(guó)的衛(wèi)星授時(shí)方式主要利用全球定位系統(tǒng)授時(shí)獲取標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，但是全球定位系統(tǒng)授時(shí)存在手段單一、沒有自主控制權(quán)等問題，不僅短期穩(wěn)定性差，而且安全性不強(qiáng)[3]。衛(wèi)星雙模授時(shí)設(shè)備采用了多時(shí)鐘源自適應(yīng)同步技術(shù)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)和外部IRIG-B碼互為設(shè)備的時(shí)間同步系統(tǒng)。選用高穩(wěn)恒溫晶體振蕩器作為本地時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)高精度守時(shí)，保證了北斗和全球定位系統(tǒng)雙模同步系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。通過全球定位系統(tǒng)授時(shí)模塊、北斗授時(shí)模塊和外部輸入的IRIG-B碼，得到標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間信息協(xié)調(diào)世界時(shí)和秒脈沖信號(hào)，并對(duì)本地晶振的頻率進(jìn)行校正，生成符合時(shí)間同步要求的各種授時(shí)方式[4]。

本文針對(duì)衛(wèi)星雙模授時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)展開討論，主要涉及信號(hào)的完好性檢測(cè)、本地守時(shí)、秒脈沖信號(hào)生成等相關(guān)技術(shù)。

1 總體架構(gòu)

衛(wèi)星雙模授時(shí)機(jī)的硬件總體架構(gòu)如圖1，主要含有導(dǎo)航模塊、守時(shí)模塊、串口輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議(Network Time Protocol, NTP)輸出模塊、秒脈沖輸出模塊、B碼輸出模塊、電源模塊、顯控模塊、網(wǎng)管模塊。主機(jī)內(nèi)的各模塊采用總線方式通信，信號(hào)通過母板進(jìn)行傳輸。導(dǎo)航模塊中衛(wèi)星原始設(shè)備制造商單元輸出時(shí)間信息和1PPS信號(hào)給守時(shí)模塊中的守時(shí)跟蹤單元，守時(shí)跟蹤單元中的本地晶振在鎖定衛(wèi)星信號(hào)后對(duì)用戶機(jī)內(nèi)其他模塊輸出1PPS信號(hào)和10 MHz信號(hào)，同時(shí)根據(jù)1PPS信號(hào)和10 MHz信號(hào)產(chǎn)生設(shè)備所需的各種對(duì)外輸出信號(hào)，通過總線傳送給相關(guān)模塊。

圖1 衛(wèi)星雙模授時(shí)機(jī)的硬件組成框圖Fig.1 Diagram of satellite Dual-mode Time Service Hardware

串口輸出模塊、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議輸出模塊、秒脈沖輸出模塊、B碼輸出模塊都完成信號(hào)的對(duì)外輸出，根據(jù)不同的要求輸出不同形式的時(shí)間信號(hào)或信息。顯控模塊負(fù)責(zé)人機(jī)界面操作以及定時(shí)應(yīng)用處理。電源模塊負(fù)責(zé)給模塊提供直流電源。網(wǎng)管模塊完成模塊間信息的調(diào)度以及遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，同時(shí)能夠輸出相關(guān)信息。

守時(shí)模塊的硬件由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列及外圍電路組成，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列和單片機(jī)中運(yùn)行相關(guān)守時(shí)及授時(shí)算法，即設(shè)備的軟件程序。根據(jù)算法的總體架構(gòu)，運(yùn)行守時(shí)及授時(shí)算法的軟件程序分為分頻單元、信號(hào)生成單元、B碼(DC和AC)編碼單元以及串口通信單元。信號(hào)生成單元包含3個(gè)子單元，即信號(hào)完好性檢測(cè)子單元、守時(shí)子單元和秒脈沖生成子單元。在軟件程序中上述單元串接成一個(gè)整體程序進(jìn)行工作，同時(shí)需要考慮諸多因素(比如導(dǎo)航模塊的工作狀態(tài)判別等)，因此需要詳細(xì)設(shè)計(jì)軟件的總體運(yùn)行架構(gòu)。圖2為軟件程序的總體框圖。

軟件程序按照以下步驟運(yùn)行。

(1)設(shè)備上電后，即啟動(dòng)信號(hào)完好性檢測(cè)子單元和分頻單元。判斷導(dǎo)航模塊是否正常工作的方法為：連續(xù)比較3個(gè)(也可以多個(gè))1PPS信號(hào)的間隔是否正常。如果正常，則判斷導(dǎo)航模塊硬件正常工作，輸出標(biāo)志位，默認(rèn)使用全球定位系統(tǒng)的1PPS信號(hào)作為外部守時(shí)信號(hào)。如果不正常，則繼續(xù)檢測(cè)導(dǎo)航模塊，直到正常為止。分頻單元含有整個(gè)程序的時(shí)鐘生成程序，通過現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列內(nèi)置的鎖相環(huán)和計(jì)數(shù)分頻相結(jié)合的方式生成整個(gè)程序所需的時(shí)鐘。

圖2 軟件程序流程圖
Fig.2 Flow chart of Software program

(2)一旦導(dǎo)航模塊正常工作，則運(yùn)行守時(shí)子單元。衛(wèi)星導(dǎo)航芯片1PPS信號(hào)送入守時(shí)子單元完成對(duì)恒溫晶體振蕩器的馴服；

(3)秒脈沖生成子單元?jiǎng)t根據(jù)守時(shí)子單元輸出的信號(hào)產(chǎn)生用于生成后續(xù)B碼(DC和AC)編碼單元和串口通信單元所需的1PPS秒脈沖信號(hào)；

(4)在B碼(DC)編碼單元中，根據(jù)本地生成的1PPS信號(hào)發(fā)起中斷，將全球定位系統(tǒng)或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片輸出的時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為B(DC)碼信息。在B碼(AC)編碼單元中，根據(jù)本地生成的1PPS信號(hào)發(fā)起中斷，將全球定位系統(tǒng)或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片輸出的時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為B(AC)碼信息；

(5)在串口通信單元中，通過串口輸出通信信息、衛(wèi)星信息以及時(shí)碼信息。

本文重點(diǎn)論述上述子單元涉及的信號(hào)完好性檢測(cè)算法和守時(shí)算法。

2 信號(hào)的完好性檢測(cè)

信號(hào)完好性檢測(cè)子單元負(fù)責(zé)對(duì)導(dǎo)航芯片的輸出信號(hào)進(jìn)行驗(yàn)證，以保證得到的1PPS和時(shí)間信息正確、穩(wěn)定和有效。由圖2可知，信號(hào)完好性檢測(cè)子單元是后續(xù)守時(shí)子單元、秒脈沖生成子單元、B碼(DC和AC)編碼單元以及串口通信單元正常運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。

信號(hào)完好性檢測(cè)子單元驗(yàn)證導(dǎo)航芯片輸出的信號(hào)是否正常的方法為：連續(xù)比較導(dǎo)航芯片輸出的3個(gè)1PPS信號(hào)的間隔是否正常。如果正常，則判斷導(dǎo)航芯片為正常工作狀態(tài)，輸出標(biāo)志位。如果不正常，則繼續(xù)檢測(cè)導(dǎo)航芯片，直到正常為止。設(shè)備中會(huì)有3種守時(shí)狀態(tài)，第1種是全球定位系統(tǒng)或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)都正常時(shí)的守時(shí)狀態(tài)，不同的守時(shí)狀態(tài)使用不同的外部時(shí)鐘源以保證設(shè)備守時(shí)的穩(wěn)定性。整個(gè)守時(shí)狀態(tài)切換的流程如圖3。

(1)開機(jī)后全球定位系統(tǒng)或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片開始運(yùn)行，分別對(duì)這兩個(gè)芯片產(chǎn)生的1PPS信號(hào)持續(xù)進(jìn)行檢測(cè)。

(2)若全球定位系統(tǒng)或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片的1PPS信號(hào)均通過檢測(cè)，則判斷全球定位系統(tǒng)或者北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片模塊均正常工作，進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1，將全球定位系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)作為備用守時(shí)信號(hào)。若只有全球定位系統(tǒng)芯片的1PPS信號(hào)通過檢測(cè)，則判斷全球定位系統(tǒng)芯片正常而北斗導(dǎo)航系統(tǒng)芯片不正常，此時(shí)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)2，將全球定位系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。若只有北斗導(dǎo)航系統(tǒng)芯片的1PPS信號(hào)通過檢測(cè)，則判斷北斗導(dǎo)航系統(tǒng)芯片信號(hào)正常而全球定位系統(tǒng)芯片信號(hào)不正常，此時(shí)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)3，將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。

(3)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1以后，若全球定位系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)一直存在，即使接收到外部衛(wèi)星切換指令，仍由全球定位系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。若同時(shí)丟失全球定位系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，則直接進(jìn)入內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)。若只丟失北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)2，此時(shí)繼續(xù)采用全球定位系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。若此時(shí)丟失全球定位系統(tǒng)信號(hào)，則同樣進(jìn)入內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)；若再次接收到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，則再次進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1。若只丟失全球定位系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)3，此時(shí)只能采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。若此時(shí)丟失北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)，而若再次接收到全球定位系統(tǒng)信號(hào)，則再次進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1。

(4)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)2以后，采用全球定位系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。若接收到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1；若丟失了全球定位系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)。

(5)進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)3以后，采用北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)作為守時(shí)參考信號(hào)。若接收到全球定位系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1；若丟失了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)，則進(jìn)入內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)。

(6)處于內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)，若同時(shí)接收到全球定位系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)芯片的1PPS信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)1；若只接收到全球定位系統(tǒng)芯片的1PPS信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)2；若只接收到北斗導(dǎo)航系統(tǒng)芯片的1PPS信號(hào)，則進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)3。

圖3 守時(shí)狀態(tài)切換流程圖
Fig.3 Flow chart of Punctuality Switching

3 守時(shí)技術(shù)

雙模衛(wèi)星授時(shí)機(jī)中守時(shí)模塊的主要硬件組成如圖4，守時(shí)模塊主要由衛(wèi)星導(dǎo)航芯片、時(shí)鐘處理芯片、DA轉(zhuǎn)換器和恒溫晶體振蕩器組成。衛(wèi)星導(dǎo)航芯片用于接收衛(wèi)星導(dǎo)航芯片的秒脈沖信號(hào)和時(shí)間信息，時(shí)鐘處理芯片用于將導(dǎo)航芯片的1PPS信號(hào)的時(shí)鐘誤差送入單片機(jī)，再將這些數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理后控制DA轉(zhuǎn)換器對(duì)恒溫晶振進(jìn)行修正。守時(shí)模塊確保完成守時(shí)子單元軟件的運(yùn)行。

圖4 守時(shí)模塊的硬件組成框圖
Fig.4 Diagram of punctuality module Hardware

守時(shí)子單元軟件的流程為通過與導(dǎo)航芯片輸出的1PPS信號(hào)進(jìn)行比較，產(chǎn)生比該信號(hào)提前80 ms的晶振1PPS信號(hào)，同時(shí)每128 s將導(dǎo)航芯片的1PPS信號(hào)與晶振1PPS信號(hào)的平均時(shí)鐘誤差送入單片機(jī)，再將這些數(shù)據(jù)通過單片機(jī)程序處理后控制DA轉(zhuǎn)換器對(duì)恒溫晶體振蕩器進(jìn)行修正，從而完成對(duì)恒溫晶體振蕩器的馴服，獲得高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的頻率。

整個(gè)守時(shí)子單元程序分為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列程序和單片機(jī)程序兩部分，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列程序主要包括時(shí)鐘處理部分以及數(shù)據(jù)通信部分。時(shí)鐘處理部分主要負(fù)責(zé)測(cè)量單片機(jī)控制DA轉(zhuǎn)換器所需的平均時(shí)鐘誤差即由于導(dǎo)航芯片信號(hào)的抖動(dòng)、晶振老化漂移以及晶振不準(zhǔn)而產(chǎn)生的誤差。單片機(jī)程序主要包括誤差控制部分。守時(shí)子單元程序的運(yùn)行過程如下：

(1)首先分別接收全球定位系統(tǒng)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片的1PPS信號(hào)，分別產(chǎn)生一個(gè)比全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航芯片和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片1PPS信號(hào)提前80 ms的全球定位系統(tǒng)與晶振之間1PPS信號(hào)和北斗導(dǎo)航系統(tǒng)與晶振之間1PPS信號(hào)，程序采用100 MHz的基準(zhǔn)時(shí)鐘；

(2)連續(xù)存儲(chǔ)兩組相鄰128 s全球定位系統(tǒng)導(dǎo)航芯片1PPS信號(hào)與全球定位系統(tǒng)和晶振之間1PPS信號(hào)的時(shí)鐘誤差及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)導(dǎo)航芯片1PPS信號(hào)與北斗導(dǎo)航系統(tǒng)和晶振之間1PPS信號(hào)的時(shí)鐘誤差，并分別計(jì)算得到相隔128 s的全球定位系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)和本地晶振平均時(shí)鐘誤差及北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)和本地晶振平均時(shí)鐘誤差。最后，若處于守時(shí)狀態(tài)1和守時(shí)狀態(tài)2，則通過串口根據(jù)約定的幀協(xié)議將全球定位系統(tǒng)和本地晶振平均時(shí)鐘誤差送入單片機(jī)；若處于守時(shí)狀態(tài)3，則將北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)和本地晶振平均時(shí)鐘誤差送入單片機(jī)；若處于內(nèi)部守時(shí)狀態(tài)，則需要將上一次的全球定位系統(tǒng)時(shí)間信號(hào)和本地晶振平均時(shí)鐘誤差通過串口發(fā)送到單片機(jī)。

(3)單片機(jī)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列發(fā)送的誤差值通過DA轉(zhuǎn)換器輸出電壓對(duì)恒溫晶體振蕩器晶振的頻率進(jìn)行調(diào)整，從而完成對(duì)恒溫晶體振蕩器的馴服。

4 結(jié) 論

本文所述的相關(guān)處理算法已經(jīng)在衛(wèi)星雙模設(shè)備中得到實(shí)際應(yīng)用。完好性檢測(cè)算法確保了設(shè)備在多種衛(wèi)星授時(shí)環(huán)境下正常工作，守時(shí)算法則保證了設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定度能夠和衛(wèi)星授時(shí)保持一致。應(yīng)用多模授時(shí)設(shè)備不僅可以滿足系統(tǒng)對(duì)時(shí)間同步的更高要求，而且其輸入、輸出、電源等均可靈活配置，并具有豐富的各類模塊及板卡供選擇。時(shí)信號(hào)的種類和數(shù)量都可根據(jù)需要靈活選擇配置，外部多個(gè)授時(shí)系統(tǒng)相互兼容、相互備份。當(dāng)某一系統(tǒng)陷入癱瘓，接收機(jī)可以依靠其他系統(tǒng)正常工作，從而提高整個(gè)授時(shí)設(shè)備的可靠性，改變各行業(yè)中的授時(shí)設(shè)備過分依賴單一系統(tǒng)的現(xiàn)狀[5]。

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