楊 帆陳學(xué)軍張 然毛新凱

（1.北京無線電計量測試研究所，北京100039；2.中國西安衛(wèi)星測控中心，西安710000）

1 引 言

隨著科技的發(fā)展，時間同步在各種電子系統(tǒng)尤其是武器系統(tǒng)中的重要性日益突顯。 為了完成多軍種、多系統(tǒng)的信息融合、協(xié)同作戰(zhàn)，各系統(tǒng)必須工作在統(tǒng)一的時空坐標(biāo)體系之內(nèi)。 為此，我軍的各作戰(zhàn)單元大都配備了高精度的時間統(tǒng)一設(shè)備。 這些時統(tǒng)設(shè)備大多集成于武器系統(tǒng)中，不宜拆卸，因此無法做到周期性送交計量部門予以計量校準(zhǔn)。 大量裝備的時統(tǒng)設(shè)備未經(jīng)校準(zhǔn)，為我軍的時間統(tǒng)一體系帶來了嚴(yán)重的隱患。 因此，研究解決高精度時統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)問題具有重要的意義。

目前，國內(nèi)外針對時統(tǒng)設(shè)備的現(xiàn)場校準(zhǔn)器都是以GPS／BDS 單向授時法獲得參考時間。 被測時統(tǒng)設(shè)備也大多是通過接收北斗等衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號或IRIG-B 碼等有線信號獲取初始時間，內(nèi)部通過銣原子鐘或高穩(wěn)晶振對時間進(jìn)行保持，對外輸出1PPS，1PPM，1PPH，IRIG-B（DC）碼，IRIG-B（AC）碼，PTP 等時間信號，為用時系統(tǒng)提供高精度的時間統(tǒng)一服務(wù)。 可見，現(xiàn)有的時統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)儀器采用內(nèi)置C／A 碼GPS 接收機(jī)，定時準(zhǔn)確度與被測時統(tǒng)設(shè)備在同一量級，無法滿足校準(zhǔn)時的量值溯源需求。 而且，目前的現(xiàn)場校準(zhǔn)儀器與守時實驗室之間沒有直接的實時溯源關(guān)系，儀器本身對計量結(jié)果引入的不確定度較大。

為了解決時統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)不確定度大的問題，本文提出一種可實時溯源至守時實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間的時統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)方案，為現(xiàn)場校準(zhǔn)提供穩(wěn)定可靠的時間參考，有效減小現(xiàn)場校準(zhǔn)儀器引入的不確定度。 GNSS 衛(wèi)星共視時間傳遞技術(shù)是目前性價比最高的時間頻率傳遞方法，實現(xiàn)過程簡單，時間傳遞不確定度小，是建立校準(zhǔn)現(xiàn)場與守時實驗室之間實時在線溯源鏈路的最佳選擇。

本文基于實時衛(wèi)星共視技術(shù)建立現(xiàn)場校準(zhǔn)儀器與守時實驗室之間的實時溯源鏈路；利用實時共視比對結(jié)果對現(xiàn)場銣鐘進(jìn)行馴服，產(chǎn)生時統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)所需要的參考源。 該參考源實時溯源至守時實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間，定時準(zhǔn)確度高，溯源不確定度小，更加穩(wěn)定可靠。

2 時間碼在線校準(zhǔn)原理與校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

2.1 實時共視溯源鏈路設(shè)計

通過對傳統(tǒng)的衛(wèi)星共視數(shù)據(jù)處理技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，建立時統(tǒng)設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)場與守時實驗室的實時溯源鏈路。 改進(jìn)體現(xiàn)在兩個方面：改進(jìn)共視數(shù)據(jù)處理方式，實現(xiàn)連續(xù)無間隙實時比對；利用實時數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)共視數(shù)據(jù)的實時交互。

選用高精度接收機(jī)板卡和高速數(shù)據(jù)處理模塊來滿足連續(xù)跟蹤的要求，采用連續(xù)的時間比對方法，以100s 作為一個完整的觀測周期，兩個觀測周期之間無縫連接，不再預(yù)留相鄰跟蹤周期之前的準(zhǔn)備時間和數(shù)據(jù)處理時間，當(dāng)上一個跟蹤周期結(jié)束后，立即進(jìn)入下一個跟蹤周期。 該方法的優(yōu)勢在于可以對時頻信號的偶發(fā)、突跳等現(xiàn)象進(jìn)行檢測，并且實現(xiàn)了無間隙的連續(xù)比對，提高數(shù)據(jù)利用率，增強共視的實時性。 在達(dá)到實時共視目的的同時，為了提高實時共視精度，每個觀測周期（100s）內(nèi)的數(shù)據(jù)處理分兩次采用最小二乘擬合算法：

第一次，將100 個數(shù)據(jù)等分為10 份，每份10 個觀測值，對10 份數(shù)據(jù)分別進(jìn)行最小二乘線性擬合，取中間值作為擬合結(jié)果，共得到10 個擬合值；

第二次，將10 個擬合值再次進(jìn)行最小二乘線性擬合，取中間值，作為本觀測周期（100s）的觀測結(jié)果。

守時實驗室的本地比對結(jié)果（含UTC（k）與導(dǎo)航實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間之間的偏差）由北斗短報文鏈路實時發(fā)送給校準(zhǔn)現(xiàn)場，校準(zhǔn)現(xiàn)場對實時共視數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并以此為參考對校準(zhǔn)現(xiàn)場時間源（通常為銣鐘）進(jìn)行馴服。

2.2 基于實時共視的銣鐘馴服技術(shù)

利用實時共視鏈路獲得守時實驗室參考時間，并以此為參考，對銣鐘進(jìn)行馴服。 馴服過程中，實時判斷共視時差信號是否有效。 當(dāng)測量到的時間差信號有效時，通過卡爾曼算法對計算得到鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，消除噪聲對時間信號的影響。 然后通過馴服算法得到可控銣鐘的控制字。 為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，馴服銣鐘的控制值還需要經(jīng)過PID 算法，消除馴服系統(tǒng)的靜態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，此時得到的數(shù)字是銣鐘的精確控制值，調(diào)節(jié)輸銣鐘的輸出頻率。 當(dāng)共視時差信號丟失或者測量得到的時間差信號無效時，從GNSS 系統(tǒng)獲得1PPS 作為參考信號，F(xiàn)PGA 以本地的銣鐘作為系統(tǒng)的時鐘源，分頻生成與外部時間源輸入的1PPS 相同的方波周期信號，比較這兩個周期信號，得到時差數(shù)據(jù)。 利用卡爾曼算法對計算得到鐘差數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，再經(jīng)過PID 控制后得到銣鐘控制字，對銣鐘頻率進(jìn)行調(diào)整。 基于快速共視的銣原子鐘馴服算法流程如圖1 所示。

圖1 基于衛(wèi)星共視的銣原子鐘馴服算法流程圖Fig.1 Flow chart of Ru-clock controlled algorithm process based on satellite common view

2.3 時間碼在線校準(zhǔn)的精細(xì)化修正技術(shù)

在傳統(tǒng)的時間碼測量中，只能以時間碼測量儀的時間參考作為標(biāo)準(zhǔn)，得到被測時間碼與時間參考之間的時差。 通過衛(wèi)星共視技術(shù)，可以實時的獲取本地時間參考與守時試驗室之間的時間差。 因此，可以利用該時差對時間碼測量結(jié)果進(jìn)行修正。這樣，本地時間參考在測量中只起到中間媒介的作用，即使本地參考與UTC 存在偏差，在進(jìn)行精細(xì)化修正之后，偏差也被消除。 實際給出的測量結(jié)果為被測時間碼信號與實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間之間的時間差。因此，可以極大地提高測量精度。 時間碼測量結(jié)果精細(xì)化修正的方法如圖2 所示。

圖2 時間碼測量結(jié)果精細(xì)化修正框圖Fig.2 Block diagram of time code measurement results refined correction

通過衛(wèi)星共視比對技術(shù)，獲得了實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間t與校準(zhǔn)現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)時間（共視馴服銣鐘）t之間的時差，即

在校準(zhǔn)現(xiàn)場，以共視馴服銣鐘t的1PPS 作參考，對時間碼信號t進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果可表示為

那么，將式（1）和式（2）結(jié)合可以得到

可見，經(jīng)過精細(xì)化修正后，時間碼測量結(jié)果可直接歸算到被測時間碼信號與實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間的偏差。 由于實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間比現(xiàn)場校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)時間準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度更好，因此精細(xì)化修正后可以極大減小測量結(jié)果的不確定度。

2.4 時間碼在線校準(zhǔn)系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計時間碼在線校準(zhǔn)系統(tǒng)，搭建基于實時共視的時間碼現(xiàn)場校準(zhǔn)平臺。 校準(zhǔn)平臺主要由3部分組成：實時共視數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備、基于實時共視技術(shù)的時間碼校準(zhǔn)設(shè)備、以及實時比對鏈路。 實時共視數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備放置于守時實驗室，用于為校準(zhǔn)現(xiàn)場傳遞守時實驗室的高精度時間頻率標(biāo)準(zhǔn)。 基于實時共視技術(shù)的時間碼校準(zhǔn)設(shè)備放置于時統(tǒng)設(shè)備校準(zhǔn)現(xiàn)場，用于實現(xiàn)時間碼的在線高精度時間校準(zhǔn)。 兩個設(shè)備之間利用共視技術(shù)進(jìn)行實時比對，采用北斗短報文等方式進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交互。 基于實時共視技術(shù)的時間碼校準(zhǔn)設(shè)備實時接收實時共視數(shù)據(jù)發(fā)播設(shè)備的共視數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后得到兩地共視時差，并以該時差為參考對現(xiàn)場的頻率源進(jìn)行調(diào)整，使現(xiàn)場的頻率源緊密跟蹤于守時實驗室的標(biāo)準(zhǔn)時間。 時間碼在線校準(zhǔn)平臺組成如圖3所示。

圖3 基于實時共視的時間碼現(xiàn)場校準(zhǔn)系統(tǒng)框圖Fig.3 Block diagram of time code field calibration system besed on real-time satellite common view

3 試驗結(jié)果分析

與傳統(tǒng)的在線校準(zhǔn)平臺相比，本文的時間碼在線校準(zhǔn)平臺特點在于，參考源是基于共視馴服銣鐘技術(shù)產(chǎn)生的，可同步至實驗室標(biāo)準(zhǔn)時間。 為了驗證該在線校準(zhǔn)平臺的參考源性能，分別開展GPS／BDS單向法馴服銣鐘和共視法馴服銣鐘試驗，以北京無線電計量測試研究所標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（BIRM）為參考，比較兩種馴服方式下的銣鐘1PPS 同步偏差。試驗結(jié)果顯示視法馴服銣鐘1PPS 同步偏差更小。

GPS／BDS 單向法馴服銣鐘與UTC（BIRM）的比對曲線如圖4 所示，以及GPS／BDS 共視法馴服銣鐘與UTC（BIRM）的比對曲線如圖5 所示。 從圖中可以看出，由于導(dǎo)航信號在單向授時過程中噪聲影響明顯，GPS／BDS 馴服銣鐘的測試數(shù)據(jù)抖動較大，峰峰值為40ns 左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差為8.0ns；GPS／BDS 共視法馴服銣鐘數(shù)據(jù)抖動明顯減小，峰峰值為10ns 左右，標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.2ns。

圖4 GPS／BDS 單向法馴服銣鐘定時偏差曲線圖Fig.4 Curve of taming Ru-clock timing deviation based on GPS／BDS one-way method

圖5 GPS／BDS 共視法馴服銣鐘定時偏差曲線圖Fig.5 Curve of taming Ru-clock timing deviation based on GPS／BDS common view method

4 結(jié)束語

本文論述了一種基于實時衛(wèi)星共視技術(shù)的時間參數(shù)現(xiàn)場校準(zhǔn)平臺設(shè)計方法，針對時統(tǒng)設(shè)備現(xiàn)場校準(zhǔn)時如何獲得高精度的時間參考這一問題提出了一種設(shè)計思路。 并以北京無線電計量測試研究所標(biāo)準(zhǔn)時間UTC（BIRM）為參考，分別測量GPS／BDS 單向法馴服銣鐘和共視法馴服銣鐘的1PPS 同步偏差。 從試驗數(shù)據(jù)可見，本方法提出的方法相對于當(dāng)前常用的GPS 單向法具有明顯的指標(biāo)優(yōu)勢。 且本方法原理簡單，適合小型化設(shè)計，相對于衛(wèi)星雙向等手段成本低廉，適合在時間參數(shù)現(xiàn)場校準(zhǔn)領(lǐng)域推廣。