張小龍

摘要：該文針對XHTF330時統(tǒng)設備出廠調(diào)試過程中，出現(xiàn)的北斗授時異常與產(chǎn)生器超容差故障進行分析研究，針對兩個典型故障從時間統(tǒng)一系統(tǒng)設備兩個模塊的系統(tǒng)組成及其工作原理入手，詳細闡述了兩個典型故障的定位過程，依據(jù)兩個模塊的結(jié)構(gòu)組成及工作原理，通過建立典型案例故障樹，對故障現(xiàn)象及原因進行深入剖析，通過進一步的故障機理分析得出科學有效的故障解決方案，為時間統(tǒng)一系統(tǒng)出所裝船解決了質(zhì)量問題，為后續(xù)執(zhí)行任務提供了穩(wěn)定保障，同時對其他模塊相關故障處置也具有一定的借鑒參考意義。

關鍵詞：時統(tǒng)設備;質(zhì)量問題;GPS＼BD模塊

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0209-03

1 背景

XHTF330型時統(tǒng)設備是測量船使用的新一代小型化時統(tǒng)，能夠為航天任務各測控設備提供標準的時間和頻率信號。該設備在研制測試過程中，測試人員發(fā)現(xiàn)XHTF330時統(tǒng)設備告警單元出現(xiàn)多次告警顯示，通過查看告警顯示內(nèi)容，發(fā)現(xiàn)北斗授時異常并伴隨產(chǎn)生器超容差報警，為了探究故障發(fā)生原因，本文針對這兩種典型故障進行了分析研究，并提出相應的故障解決措施。

2 XHTF330型時統(tǒng)簡介

XHTF330型時統(tǒng)設備采用雙冗余模塊化設計，能同時接收GPS/北斗/外同步PPS+TOD定時信號，具有IRIG-B碼、頻率輸出和網(wǎng)絡授時功能，可為各測控設備提供標準B（DC）時碼信號和10MHz頻率信號，實現(xiàn)系統(tǒng)時間和頻率的統(tǒng)一。該系統(tǒng)主要由定時接收模塊，時碼產(chǎn)生模塊（含馴服晶振或馴服銣鐘），兩個電源模塊，以及（10MHz、5MHz、1MHz）頻標模塊、控制模塊、（B（AC）、B（DC））時碼產(chǎn)生模塊、NTP模塊和監(jiān)控模塊等部分組成，其工作原理如圖1所示。

GPS＼BD模塊能夠同時接收時間信息，送到其他模塊用于同步，其戰(zhàn)技指標如表1所示，產(chǎn)生器模塊利用XHTF330型時統(tǒng)中的定時接收模塊的參考秒馴服本模塊內(nèi)部的頻率源，當GPS＼BD模塊與產(chǎn)生器超容差出現(xiàn)故障，會導致該系統(tǒng)不能準確授時，影響其他系統(tǒng)的正常工作。

3 GPS＼BD模塊長時間定位異常不能自恢復

3.1 模塊組成及原理

GPS＼BD模塊由GPS＼BD OEM板（ublox），微處理器（W77E58），CAN總線控制器（SJA1000），CAN總線收發(fā)器（SN65HVD230），電平轉(zhuǎn)換電路以及電源等（如圖2）功能部件組成。

3.2 問題定位

根據(jù)上述故障現(xiàn)象，分析如圖3所示。

1）外界電磁干擾

通過查詢相關技術資料，模塊在設計時考慮了電磁兼容問題，且本身具備一定的抗干擾能力，另外我們對天線增加屏蔽罩，故障現(xiàn)象未曾消失，排除電磁干擾問題。

2）檢查天饋系統(tǒng)

通過更換備品備件，發(fā)現(xiàn)天饋系統(tǒng)工作正常，因此排除天饋系統(tǒng)問題。

3）檢查模塊射頻處理部分

運用模擬器發(fā)送單載波，使用頻譜儀可以看出模塊在射頻、中頻部分正常，排除模塊射頻、中頻部分異常。

4）檢查模塊接口算法

通過分析模塊異常時記錄的數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)模塊輸出的數(shù)據(jù)不完全重復，時間信息仍在延續(xù)，排除模塊接口算法問題。

3.3 機理分析

當GPS＼BD模塊搜索到某個衛(wèi)星信號之后，相應的接收通道就從捕獲階段進入跟蹤階段;當模塊的鎖定檢測器判定總環(huán)路對信號失鎖后，接收通道又需要從跟蹤階段返回捕獲階段。

3.4 解決措施

故障確定后，廠家對基帶算法進行了調(diào)整，升級了軟件版本，確保當模塊長時間無法正常收星定位時，對模塊通道進行釋放，從而避免模塊的衛(wèi)星接收通道飽和，同時更換天線安裝位置和更換更高性能天線來提高模塊收星質(zhì)量。在以上措施完成后，該模塊定位收星正常，此時該故障得到解決。

4 產(chǎn)生器超容差故障

4.1 產(chǎn)生器組成及原理

時碼產(chǎn)生器主要由馴服頻標、時差測量、移相同步、時碼產(chǎn)生、顯示按鍵等部分組成（如圖5），能夠利用XHTF330系統(tǒng)中GPS模塊、北斗模塊或者外同步模塊的參考秒馴服本模塊內(nèi)部頻率源，同時獲得當前時間信息。

在進行產(chǎn)生器時差測量時，產(chǎn)生器通過接收GPS、北斗、外同步秒，通過優(yōu)先級選擇其中1個作為參考秒，并將該參考秒與產(chǎn)生器秒進行時差測量，得到產(chǎn)生器時差以及外部輸入信號的穩(wěn)定性能（如圖6）。

控制器以ARM9處理器為核心，結(jié)合超大規(guī)模集成電路FPGA以及嵌入式程序設計共同完成對XHTF330時統(tǒng)設備的參考源信號、兩個時碼產(chǎn)生模塊的1pps、B（DC）碼、10MHZ頻率信號，兩個時碼產(chǎn)生模塊1pps與參考源之間的時差、兩個產(chǎn)生器的時間信息，以及其他模塊的信息監(jiān)控。在進行時差測量時，控制器接收GPS、北斗、外同步秒、產(chǎn)生器秒1、產(chǎn)生器秒2，通過優(yōu)先級選擇，在GPS、北斗、外同步秒中選擇1個作為參考秒，并用該參考秒與產(chǎn)生器秒1和產(chǎn)生器秒2進行時差測量，得到控制器時差，從而判斷產(chǎn)生器產(chǎn)生的秒信號是否正確（如圖7）。

4.2 問題定位

XHTF330時統(tǒng)設備采用了冗余設計，該設備的產(chǎn)生器以及控制器上均設計了時差測量單元，在設備出現(xiàn)超容差故障告警時，觀察其告警顯示單元發(fā)現(xiàn)只有控制器出現(xiàn)告警，而產(chǎn)生器并未出現(xiàn)告警，利用示波器測量其產(chǎn)生器實際時差，時差并未發(fā)生突變，從而定位此次設備超容差告警故障單元為控制器時差測量單元。在確定故障單元的基礎上，通過查閱各類技術手冊，對故障進行了詳細分析，利用示波器等儀器對輸入控制器的GPS、北斗、外同步秒、產(chǎn)生器1秒、產(chǎn)生器2秒等信號進行波形測量，通過觀察其波形圖，不難發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生器1秒、產(chǎn)生器2秒波形上存在明顯的毛刺信號，而GPS、北斗、外同步秒波形則不存在這種現(xiàn)象，由于在設計初期，未考慮控制器要對輸入信號進行過濾，因此該毛刺信號在通過控制器時未過濾掉，在進行時差測量時，控制器將產(chǎn)生器秒信號和毛刺信號同時進行時差測量并進行顯示，導致了控制器時差測量出現(xiàn)超容差現(xiàn)象。

4.3 機理分析

在FPGA的設計中，毛刺現(xiàn)象是影響數(shù)字系統(tǒng)設計有效性和可靠性的主要因素。這些毛刺會被“保留”傳遞下一級，從而影響設備功能正常運行。而此次超容差故障是由于XHTF330時統(tǒng)設備在接上擴展機箱后，由于信號傳輸路徑增長以及阻抗不匹配等問題，導致信號在通過產(chǎn)生器時，產(chǎn)生器秒1、秒2信號上疊加了毛刺信號，進行時差測量時，控制器未過濾掉毛刺信號而直接進行時差測量，從而影響了測量結(jié)果準確性。

4.4 解決措施

通過故障分析與定位，可以確定造成此次超容差故障是由于毛刺現(xiàn)象產(chǎn)生導致控制器在進行時差測量時未過濾掉而導致的，在經(jīng)過所有人員溝通交流后，一致決定修改控制器中的FPGA代碼，使其在進行時差測量時首先對通過的信號進行濾波，過濾掉毛刺信號。在修改結(jié)束后，經(jīng)過長時間試驗，沒有再出現(xiàn)超容差故障現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

通過對GPS＼BD模塊故障原因進行分析、定位，得出此類故障內(nèi)在原因是該設備基帶算法軟件存在設計缺陷。針對此次問題，我們將模塊接口軟件及基帶處理軟件進行了全面梳理，對軟件進行軟件流程及BUG排查，未發(fā)現(xiàn)類似問題。針對產(chǎn)生器超容差故障，通過修改控制器FPGA代碼有效解決了XHTF330時統(tǒng)設備故障，后期可通過舉一反三進一步加深對FPGA代碼的理解掌握，為類似故障打下堅實基礎。本文通過對XHTF330時統(tǒng)設備研制測試中遇到的兩類典型故障分析研究，提出了切實可行的故障解決方案，并在實際工程運用中得到有效驗證，為設備出所裝船消除了技術隱患，進一步提高了XHTF330時統(tǒng)設備安全穩(wěn)定性，為后續(xù)測量船出海執(zhí)行任務打下堅實基礎。

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