張林華

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所，上海 201802)

0 引 言

在信號測量時頻應(yīng)用系統(tǒng)中，如何建立各測量站間時頻信號的同步，提升信號同步精度和穩(wěn)定度，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須關(guān)注并解決的核心技術(shù)問題[1-2]。時頻信號應(yīng)用系統(tǒng)通常有主從同步和本地同步2種方式。主從同步工作方式受制于使用空域、站間信號傳輸設(shè)備、傳輸網(wǎng)絡(luò)、系統(tǒng)成本等因素的影響，限制了系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，降低了站間時頻信號的同步精度。本地同步方式解決了主從同步的不利因素，系統(tǒng)同步精度主要受制于各測量站時頻設(shè)備產(chǎn)生的同步信號間的同步精度和設(shè)備成本。本文設(shè)計(jì)了一種高精度時頻信號同步系統(tǒng)，采用通用化、低成本、平臺化的硬件，融合軟時統(tǒng)技術(shù)，以無通信共視技術(shù)和時頻生成技術(shù)為核心，集成高精度GNSS接收機(jī)，可接收BD(B1、B2、B3C)、GPS(L1、L2C)、GLONASS(L1、L2)等多頻點(diǎn)衛(wèi)星信號，實(shí)現(xiàn)多路高精度1 PPS、10 MHz標(biāo)頻信號、B(DC)碼等時頻信號輸出，實(shí)現(xiàn)時頻信號測量系統(tǒng)中各測量站間信號測量的高精度同步和標(biāo)頻信號的穩(wěn)定。

1 高精度時頻信號同步系統(tǒng)

本高精度時頻信號同步系統(tǒng)在各信號測量站配置單一的時頻信號同步設(shè)備，各時頻信號同步設(shè)備接收BD/GPS/GLONASS衛(wèi)星信號[3]，以高精度時頻單元為基礎(chǔ)，將自主創(chuàng)新的軟時統(tǒng)技術(shù)平臺與衛(wèi)星同步技術(shù)、高穩(wěn)馴服技術(shù)、多參考無損切換技術(shù)、時頻綜合技術(shù)、高精度守時技術(shù)以及時頻生成技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，為各時頻信號測量站提供1 PPS同步脈沖、10 MHz標(biāo)頻信號、B(DC)碼、網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議(NTP)等系統(tǒng)應(yīng)用需求信號輸出。通過采用獨(dú)有的衛(wèi)星共視算法技術(shù)，實(shí)現(xiàn)各時頻信號測量站間信號測量的高精度同步。系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 高精度時頻信號同步系統(tǒng)架構(gòu)框圖

系統(tǒng)按需求預(yù)置接收的衛(wèi)星信號(BD、GPS、GLONASS)，接收導(dǎo)航授時信息，恢復(fù)時間消息(TOD)和參考1 PPS作為參考信號，測量單元采用軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)高精度的頻差和相差測量。通過運(yùn)算單元對晶振老化特性、溫度特性進(jìn)行分離補(bǔ)償，準(zhǔn)確地濾波及分析數(shù)據(jù)噪聲情況，選擇合適的環(huán)路帶寬，保證高精度時間同步和高穩(wěn)低噪頻率同步，實(shí)現(xiàn)智能馴服恒溫晶振。系統(tǒng)內(nèi)置恒溫晶體振蕩器(OCXO)，當(dāng)外參考有效時，根據(jù)馴服期間的溫度和壓控?cái)?shù)據(jù)，可智能分離晶振溫度和老化特性；若外參考無效，則對OCXO進(jìn)行精準(zhǔn)補(bǔ)償，進(jìn)而達(dá)到高精度守時。同時將馴服產(chǎn)生的高穩(wěn)的OCXO 100 MHz頻率和1 pps作為基準(zhǔn)，通過時碼生成單元產(chǎn)生B碼和其它串行時間碼，結(jié)合時頻綜合技術(shù)生成高精度的10 MHz標(biāo)頻信號和1 PPS同步脈沖信號。

1.1 時頻信號同步設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

時頻信號同步設(shè)備由GNSS測向接收機(jī)、高精度時頻測量單元、接口擴(kuò)展單元、高穩(wěn)定銣鐘等功能模塊組成。硬件架構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 時頻信號同步設(shè)備硬件架構(gòu)組成框圖

GNSS測向接收機(jī)和高精度時頻測量單元是時頻信號同步設(shè)備的架構(gòu)核心，當(dāng)GNSS測向接收機(jī)接收BD、GPS、GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航授時信息時，系統(tǒng)可憑借載波相位觀測及導(dǎo)航定位算法，產(chǎn)生1 PPS、海運(yùn)事業(yè)無線電技術(shù)委員會(RTCM)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議差分串行數(shù)據(jù)、定位數(shù)據(jù)。高精度時頻測量單元同時兼具接收衛(wèi)星信號和外參考GNSS源功能，通過測量GNSS測向接收機(jī)恢復(fù)的參考1 PPS與銣鐘Ru_10 M之間的相差，馴服控制銣鐘，將銣鐘的Ru_10 M與高精度時頻測量單元上的10 MHz OXCO進(jìn)行馴服，實(shí)現(xiàn)馴服鎖相回復(fù)輸出產(chǎn)生本地高精度的1 PPS、高穩(wěn)低噪的10 MHz標(biāo)頻信號、B(DC)碼和NTP等時碼及頻率信號。各模塊與高精度時頻測量單元通過內(nèi)部CAN總線進(jìn)行有效鏈接，單元模塊之間獨(dú)立性強(qiáng)、耦合度低，可根據(jù)系統(tǒng)的不同應(yīng)用需求配置不同的接口擴(kuò)展輸出模塊，具備輸出可擴(kuò)展性；同時高精度時頻測量單元通過內(nèi)部的CAN總線對各功能擴(kuò)展模塊進(jìn)行訪問監(jiān)測，具有極高的通用性，增加了系統(tǒng)的適用性。

1.2 時頻信號同步系統(tǒng)軟體設(shè)計(jì)

時頻信號同步系統(tǒng)以軟時統(tǒng)技術(shù)平臺為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括信號處理、馴服和守時、時碼輸出、設(shè)備管控等功能軟件模塊[4]。

信號處理功能軟件模塊主要包含時源的有效性判斷，時間跳變偵測、時源信息更新和時源狀態(tài)上報(bào)。

系統(tǒng)采用“動態(tài)環(huán)路帶寬技術(shù)”，使其具備高精度的頻率源(銣鐘、晶振)馴服功能，同時融合“增量式比例積分微分(PID)自動控制”算法，完成對頻率源高精度馴服。針對GNSS衛(wèi)星信號外部時源參考源和溫度對銣鐘的短穩(wěn)、長穩(wěn)產(chǎn)生影響這一問題，可在系統(tǒng)內(nèi)部預(yù)建立對應(yīng)的PID參數(shù)列表，預(yù)設(shè)相應(yīng)的環(huán)路帶寬控制參數(shù)。根據(jù)馴服過程壓控?cái)?shù)據(jù)變化情況、跟蹤鎖定相位情況及時間參量，可智能判定環(huán)路帶寬適宜性，從而自動增減環(huán)路帶寬。同時系統(tǒng)利用增量式PID控制算法完成高精度馴服，有效降低馴服對本振穩(wěn)定度的影響，成功實(shí)現(xiàn)時源跟蹤馴服[5]。

增量式PID算法的基本原理如圖3所示。

圖3 增量式PID算法原理圖

增量式PID算法公式如下：

Δm=KP[ek-ek-1]+KIek+

KD[ek-2ek-1+ek-2)]

(1)

式中：ek表示本次相差；ek-1表示上一次相差；KP、KI、KD分別表示比例、積分、微分控制系數(shù)；Δm表示本次壓控調(diào)節(jié)增量。

2 系統(tǒng)性能測試驗(yàn)證

2.1 10 MHz信號輸出驗(yàn)證

10 MHz標(biāo)頻信號輸出相噪指標(biāo)測試驗(yàn)證見圖4，短穩(wěn)指標(biāo)測試驗(yàn)證見圖5，10 MHz標(biāo)頻信號輸出相噪和穩(wěn)定度測試結(jié)果見表1。

圖4 10 MHz相噪指標(biāo)測試

圖5 10 MHz短穩(wěn)指標(biāo)測試

表1 10 MHz相噪和穩(wěn)定度輸出測試表

2.2 同步精度測試

在4個測量站組成的時頻測量系統(tǒng)中，對4套設(shè)備進(jìn)行同步精度測試，測試結(jié)果見表2，測試驗(yàn)證見圖6。

表2 同步精度測試表

圖6 同步精度測試驗(yàn)證

3 結(jié)束語

本高精度時頻同步系統(tǒng)經(jīng)過多項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證，10 MHz標(biāo)頻信號的穩(wěn)定度從10-11提高到10-12，站間的時間同步精度從50 ns提升到6 ns，遠(yuǎn)優(yōu)于同類時頻信號同步設(shè)備。該設(shè)備具有廣泛的應(yīng)用前景和相當(dāng)高的應(yīng)用性價(jià)比。