霍海強(qiáng) 王敬 趙巖

摘要：針對(duì)用時(shí)設(shè)備高精度時(shí)頻信號(hào)需求，設(shè)計(jì)了一種基于衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）的銣鐘授時(shí)守時(shí)板卡。板卡利用導(dǎo)航接收機(jī)授時(shí)秒脈沖（1PPS）長(zhǎng)期穩(wěn)定度高的特點(diǎn)，結(jié)合銣鐘優(yōu)良的短期穩(wěn)定度和低漂移率特性，以接收機(jī)1PPS為基準(zhǔn)對(duì)銣鐘進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，進(jìn)而生成高精度時(shí)頻信號(hào)，對(duì)外提供高精度時(shí)頻服務(wù)。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)丟失后，根據(jù)歷史馴服數(shù)據(jù)調(diào)整銣鐘頻率實(shí)現(xiàn)高精度守時(shí)。測(cè)試結(jié)果表明，板卡授時(shí)精度優(yōu)于20 ns，馴服期間瞬時(shí)頻率準(zhǔn)確度優(yōu)于2×10-10，守時(shí)精度優(yōu)于1μs/d。

關(guān)鍵詞：馴服；授時(shí)；守時(shí)

中圖分類號(hào)：TN253文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1008-1739（2021）16-60-4

0引言

時(shí)間是物理學(xué)中7個(gè)基本物理量之一，與人們的日常生活、科技發(fā)展密切相關(guān)。隨著技術(shù)探索的進(jìn)步，在測(cè)控與通信系統(tǒng)領(lǐng)域，對(duì)時(shí)間頻率基準(zhǔn)的精度要求越來(lái)越高[1]。氫鐘及銫鐘是高性能時(shí)間頻率基準(zhǔn)首選，但體積較大、對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)格且成本較高[2]；銣鐘及晶振短期穩(wěn)定度較好，但老化指標(biāo)較差，難以滿足長(zhǎng)期守時(shí)、長(zhǎng)期穩(wěn)定度指標(biāo)[3-4]，與氫鐘、銫鐘相比，銣鐘老化指標(biāo)相對(duì)較差[5-6]，可維持一段時(shí)間守時(shí)，晶振老化指標(biāo)最差，守時(shí)性能最差，但晶振成本最低?；谝陨戏治?，設(shè)計(jì)了一種接收機(jī)加銣鐘的板卡作為本地時(shí)間頻率基準(zhǔn)，接收機(jī)通過接收衛(wèi)星信號(hào)校準(zhǔn)本地銣鐘頻率[7]，并輸出高精度授時(shí)信號(hào)。當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)消失后，根據(jù)歷史馴服數(shù)據(jù)進(jìn)行高精度守時(shí)，通過上述設(shè)計(jì)為用時(shí)設(shè)備提供完成高性能授時(shí)守時(shí)信號(hào)。

本文分析了基于導(dǎo)航系統(tǒng)的銣鐘馴服技術(shù)基本工作原理，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用及銣鐘馴服特點(diǎn)，完成了硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)，在軟件中設(shè)計(jì)PID控制算法及守時(shí)算法[8]，對(duì)板卡授時(shí)性能、守時(shí)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1板卡總體設(shè)計(jì)

授時(shí)守時(shí)板卡主要由接收機(jī)單元、馴服單元和銣鐘組成，接收機(jī)單元通過天線接收衛(wèi)星信號(hào)，完成定位后輸出1PPS+TOD信息給馴服單元，馴服單元對(duì)接收機(jī)1PPS和本地銣鐘分頻1PPS進(jìn)行時(shí)差測(cè)量，進(jìn)而獲得銣鐘頻偏并對(duì)其進(jìn)行校正，然后以銣鐘時(shí)鐘為基準(zhǔn)生成授時(shí)信號(hào)，對(duì)外提供高精度時(shí)頻服務(wù)，如圖1所示。

1.2硬件設(shè)計(jì)

授時(shí)守時(shí)板卡由DC/DC電源模塊、銣鐘原子鐘、時(shí)差測(cè)量芯片（TDC）、FPGA、ARM、電平轉(zhuǎn)換芯片等組成，DC/DC電源模塊將外部輸入12 V轉(zhuǎn)換為5 V，3.3 V，1.8 V，為整板各個(gè)器件供電；時(shí)差測(cè)量芯片實(shí)時(shí)測(cè)量本地1PPS與外部輸入接收機(jī)1PPS的時(shí)差，為銣鐘馴服提供數(shù)據(jù)支撐；銣鐘接受FPGA+ARM時(shí)鐘控制指令完成頻率信號(hào)的校準(zhǔn)；FPGA和ARM為板卡處理控制核心，完成整板邏輯、時(shí)序、算法和控制。授時(shí)守時(shí)板卡硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

衛(wèi)星信號(hào)正常情況下，接收機(jī)定位授時(shí)輸出參考1PPS+TOD，F(xiàn)PGA+ARM使用TDC測(cè)量參考1PPS與銣鐘10 MHz分頻1PPS的相差，獲得銣鐘與參考1PPS的相差，根據(jù)相差信息馴服銣鐘頻率獲得高精度1PPS同步信號(hào)及高準(zhǔn)確度10 MHz頻率信號(hào)，以馴服1PPS、10 MHz及參考TOD為基準(zhǔn)生成1PPS+TOD，B碼，NTP等授時(shí)信號(hào)，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)消失后，根據(jù)歷史馴服數(shù)據(jù)進(jìn)行守時(shí)。

1.3軟件設(shè)計(jì)

授時(shí)守時(shí)板卡在外部參考信號(hào)正常且銣鐘鎖定的情況下，馴服本地銣鐘生成授時(shí)信號(hào)，衛(wèi)星信號(hào)消失后，進(jìn)入守時(shí)狀態(tài)。在板卡實(shí)際應(yīng)用過程中，由于存在多種情況，因此需設(shè)計(jì)合理的軟件處理流程來(lái)應(yīng)對(duì)各種外在因素，使板卡盡可能輸出高精度授時(shí)信息?；谝陨峡紤]，板卡軟件流程如圖3所示。

①板卡上電后，首先要檢測(cè)銣鐘是否鎖定。當(dāng)銣鐘未鎖定時(shí)，其輸出頻率變化很大，不具備馴服條件，故不對(duì)銣鐘進(jìn)行任何調(diào)整。

②銣鐘未鎖定且外部時(shí)間無(wú)效時(shí)，直接輸出本地時(shí)間；銣鐘未鎖定且外部參考時(shí)間有效時(shí)，以銣鐘10 MHz對(duì)外部時(shí)間進(jìn)行粗同步，并維持、輸出本地時(shí)間信息。

③銣鐘鎖定后，若參考有效則進(jìn)入馴服狀態(tài)，并輸出高精度授時(shí)信號(hào)；若參考無(wú)效，則判斷上一秒是否為馴服狀態(tài)。若是馴服狀態(tài)則根據(jù)馴服數(shù)據(jù)調(diào)整銣鐘頻率并進(jìn)行守時(shí)，否則直接輸出本地授時(shí)時(shí)間信號(hào)。

④完成以上操作后，重新判斷銣鐘是否鎖定，開始下一循環(huán)。

時(shí)鐘馴服算法是基于本地銣鐘與外部參考相差、頻偏獲得本地銣鐘參考量，并對(duì)本地銣鐘進(jìn)行馴服，授時(shí)守時(shí)板卡采用PID算法完成頻率馴服，如圖4所示[9-10]。（ ）是TDC測(cè)得的相差進(jìn)行平均濾波的結(jié)果，Δ（ ）是相對(duì)調(diào)整量。對(duì)（ ）進(jìn)行濾波的原因在于，接收機(jī)輸出1PPS抖動(dòng)較大，若直接將其送入PID將導(dǎo)致銣鐘調(diào)整過于劇烈，會(huì)破壞銣鐘短期穩(wěn)定度，因此需要對(duì)（ ）進(jìn)行濾波，然后將濾波結(jié)果送入PID。