戎強(qiáng)，劉鐵強(qiáng)，尹繼凱，王彬

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊，050081）

0 引言

隨著我國北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，北斗授時(shí)技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)、大眾生活、國防建設(shè)等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并正在國內(nèi)外得到更為快速的應(yīng)用推廣。然而，在北斗授時(shí)裝置的工程實(shí)際應(yīng)用過程中，存在多種不同類型的設(shè)備型譜[1,2]，這些設(shè)備大多可以輸出一種和幾種類型的北斗授時(shí)信號(hào)[3,4]，例如10MHz、100MHz等頻率信號(hào)以及1pps授時(shí)、B碼、NTP、PTP、Tod等多種體制的時(shí)碼信號(hào)[5-7]，但輸出信號(hào)的類型和輸出信號(hào)的路數(shù)一般都是固定不變的，往往無法滿足工程應(yīng)用中存在的多變的授時(shí)需求。因此，迫切需要一種可以滿足大多數(shù)用戶授時(shí)需求的裝置，設(shè)計(jì)一種輸出信號(hào)可根據(jù)用戶的具體需求進(jìn)行配置的授時(shí)裝置是解決該問題的有效方法之一。針對(duì)這一問題，本文提出了一種北斗授時(shí)鏈路的時(shí)延模型，在介紹了北斗授時(shí)、時(shí)鐘馴服、零值校準(zhǔn)等基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種輸出信號(hào)類型可按照用戶需求配置的高可用北斗授時(shí)裝置，并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本原理

1.1 北斗授時(shí)鏈路時(shí)延模型

北斗授時(shí)鏈路時(shí)延模型主要包括北斗溯源鏈路時(shí)延、北斗授時(shí)鏈路時(shí)延、時(shí)頻傳輸線纜時(shí)延，如圖1所示。

圖1 北斗授時(shí)鏈路時(shí)延模型

圖中UTC（Universal Time Coordinated，協(xié)調(diào)世界時(shí)）中心維持國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間[8]，遠(yuǎn)程時(shí)間比對(duì)鏈路實(shí)現(xiàn)北斗時(shí)間向UTC中心時(shí)間的溯源，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和授時(shí)裝置共同實(shí)現(xiàn)北斗授時(shí)服務(wù)，時(shí)頻信號(hào)傳輸電纜實(shí)現(xiàn)授時(shí)信號(hào)向用時(shí)系統(tǒng)的傳遞。其中，1ppsUTC為UTC中心的國家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，1ppsBD為北斗時(shí)間，1ppsST為授時(shí)裝置輸出的定時(shí)信號(hào)，1ppsOUT為傳輸線纜末端的定時(shí)信號(hào)。這里，τSY為北斗溯源鏈路時(shí)延，表示1ppsBD與1ppsUTC之間的鏈路時(shí)延偏差；τBD為北斗系統(tǒng)鏈路時(shí)延，表示1ppsST與1ppsBD之間的鏈路時(shí)延偏差；τXL為傳輸線纜時(shí)延，表示1ppsOUT相對(duì)于1ppsST的時(shí)延偏差。

圖1中，在τSY、τBD、τXL相互獨(dú)立的前提下，1ppsUTC到1ppsOUT的總時(shí)延τZSY可表示為式(1)：

1.2 北斗授時(shí)基本原理

在北斗授時(shí)應(yīng)用過程中，對(duì)于已知精密坐標(biāo)的固定用戶，觀測(cè)到1顆衛(wèi)星就可以實(shí)現(xiàn)精密時(shí)間測(cè)量與同步。若觀測(cè)到4顆衛(wèi)星，則可精密確定接收機(jī)天線所在位置的坐標(biāo)、速度以及用戶時(shí)間相對(duì)北斗時(shí)間的精確鐘差，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精確授時(shí)[9]。圖2給出了北斗授時(shí)時(shí)間測(cè)量原理。

圖2 北斗授時(shí)時(shí)間測(cè)量原理

圖2 中，tΔ為用戶鐘相對(duì)北斗時(shí)間的真時(shí)差，即：

式(2)中，BDt為用戶接收機(jī)接收到的北斗時(shí)刻信號(hào)，且有：

式(3)中，Ut為用戶機(jī)時(shí)刻；R為偽距。

由圖2可以看出：

式(4)中，Rc是直接得到的偽時(shí)差；SVtΔ 為星載鐘相對(duì)于北斗時(shí)間的時(shí)差，可從導(dǎo)航電文中獲得；τΣ為衛(wèi)星到地面接收機(jī)的總時(shí)延。則由式(4)可得到：

其中，τΣ可表示為：

式(6)中，Rτ為只考慮衛(wèi)星至接收機(jī)距離的時(shí)延；iτ和tτ為由電離層和對(duì)流層引入的附加時(shí)延；rτ為接收機(jī)天線、天線線纜及接收機(jī)本身引入的設(shè)備時(shí)延[10]。其中，Rτ、iτ和tτ可由北斗導(dǎo)航電文中提供的數(shù)據(jù)計(jì)算得到，rτ可由接收機(jī)標(biāo)校得到，進(jìn)而可求得用戶鐘相對(duì)于北斗時(shí)間的真時(shí)差Δt。

1.3 時(shí)鐘馴服基本原理

時(shí)鐘馴服電路[11]由北斗接收機(jī)、銣鐘、DDS（Direct Digital Synthesis，直接數(shù)字頻率合成）模塊、濾波模塊、10MHzPLL模塊、分頻模塊、比相及時(shí)鐘馴服模塊等模塊構(gòu)成，如圖3所示。

圖3 時(shí)鐘馴服原理

圖3 中，北斗接收機(jī)提供代表北斗整秒時(shí)刻的1pps信號(hào)和1pps信號(hào)有效標(biāo)志信號(hào)；銣鐘輸出高精度的10MHz信號(hào)；DDS模塊用于實(shí)現(xiàn)10MHz信號(hào)的移相和零值扣除；濾波模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)DDS輸出10MHz信號(hào)的濾波和平滑；10MHzPLL模塊實(shí)現(xiàn)10MHz信號(hào)的指標(biāo)提升；分頻模塊通過10MHz分頻得到1pps信號(hào)；比相模塊通過測(cè)量來自北斗接收機(jī)模塊的1pps信號(hào)與來自分頻模塊的1pps信號(hào)的時(shí)差，通過時(shí)鐘馴服算法得到對(duì)銣鐘模塊的時(shí)鐘校準(zhǔn)信號(hào)。

1.4 零值校準(zhǔn)基本原理

由圖1可以看出，對(duì)于北斗授時(shí)裝置的零值校準(zhǔn)可將北斗授時(shí)裝置放置于UTC中心，使北斗授時(shí)裝置直接接收空間北斗導(dǎo)航信號(hào)，用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器直接測(cè)量得到北斗授時(shí)裝置輸出的定時(shí)信號(hào)1ppsST與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間基準(zhǔn)1ppsUTC的偏差τST－UTC，進(jìn)而計(jì)算得到授時(shí)裝置的零值調(diào)整量為：

在考慮授時(shí)裝置與用時(shí)系統(tǒng)之間的傳輸線纜時(shí)延的情況下，授時(shí)裝置的時(shí)延補(bǔ)償調(diào)整量為：

2 授時(shí)裝置設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備組成與連接關(guān)系

北斗授時(shí)裝置通過接收北斗衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)，經(jīng)過實(shí)時(shí)PVT解算，獲得高精度的授時(shí)信號(hào)，并對(duì)銣原子鐘進(jìn)行馴服，從而獲得準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定度好的時(shí)間頻率信號(hào)，輸出可選擇配置的10MHz、1pps、B碼、NTP、PTP等高精度的時(shí)間頻率信號(hào)，北斗授時(shí)裝置組成如圖4所示。

圖4 北斗授時(shí)裝置組成圖

圖4 中，北斗授時(shí)裝置由電源、銣鐘、頻率分路板、時(shí)鐘馴服板、10MHz PLL、母板、接收機(jī)卡、1pps輸出卡、監(jiān)控卡、電源接口面板、數(shù)碼管板、液晶板、按鍵與指示燈板等構(gòu)成。此外，該裝置配備了4個(gè)可靈活配置的板卡槽位。

北斗授時(shí)裝置各模塊的基本功能及其連接關(guān)系如下：

（1）電源接口面板具有外部220V交流電的電源接口，并將AC交流電傳輸給電源開關(guān)。

（2）電源開關(guān)實(shí)現(xiàn)電源接口面板與電源模塊間AC交流供電的聯(lián)通和切斷。

（3）電源模塊實(shí)現(xiàn)將220V交流AC供電轉(zhuǎn)換為授時(shí)裝置所需要的直流DC供電。

（4）銣鐘模塊接收來自時(shí)鐘馴服卡的時(shí)鐘馴服信號(hào)，輸出高精度的10MHz信號(hào)，為設(shè)備提供基準(zhǔn)參考信號(hào)，同時(shí)銣鐘模塊接收來自時(shí)鐘馴服板卡的控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘的校準(zhǔn)。

（5）頻率分路板對(duì)10MHz進(jìn)行多路分配，為設(shè)備提供6路高精度的10MHz信號(hào)。

（6）時(shí)鐘馴服板是實(shí)現(xiàn)北斗授時(shí)過程中時(shí)鐘同步的核心單元，由分路模塊、1pps生成模塊、比相模塊、控制模塊、整形模塊、DDS模塊、濾波模塊構(gòu)成。其中，分路模塊采用頻率信號(hào)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)來自10MHz PLL的10MHz信號(hào)進(jìn)行分路，其中1路直接輸出，另一路送給1pps生成模塊作為其主時(shí)鐘。1pps生成模塊接收控制信號(hào)的指令，對(duì)輸出的1pps信號(hào)進(jìn)行超前、滯后調(diào)整。比相模塊對(duì)接收機(jī)輸出的1pps-in和1pps信號(hào)進(jìn)行相位比對(duì)，1秒鐘完成一次測(cè)量和上報(bào)。整形模塊完成對(duì)來自銣鐘的10MHz信號(hào)的整形，得到10Mpps信號(hào)，并送給DDS模塊作為其主時(shí)鐘。DDS模塊接收控制中心的零值扣除指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)頻率信號(hào)的超前、滯后移相，與1pps生成模塊聯(lián)合實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)零值的扣除。濾波模塊對(duì)DDS輸出的10MHz信號(hào)進(jìn)行濾波、凈化處理?？刂颇K是整個(gè)時(shí)鐘馴服板的處理中心，完成馴服算法、銣鐘馴服控制、零值扣除控制、比相模塊控制、1pps生成模塊控制以及DDS模塊控制。

（7）10MHzPLL以經(jīng)過DDS相位控制后的10MHz信號(hào)為參考，鎖相產(chǎn)生高穩(wěn)定度的10MHz輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)10MHz信號(hào)的凈化提純。

（8）母板是各個(gè)插卡、非標(biāo)區(qū)各個(gè)模塊的公用接口平臺(tái)，為各個(gè)板卡、模塊提供標(biāo)準(zhǔn)化的統(tǒng)一供電和1pps信號(hào)、10MHz信號(hào)、串口通信信息接口。

（9）接收機(jī)卡是實(shí)現(xiàn)北斗授時(shí)的核心單元，接收北斗導(dǎo)航信號(hào)，輸出UTC時(shí)間和代表標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間整秒時(shí)刻的1pps信號(hào)。

（10）1pps輸出卡是北斗授時(shí)裝置授時(shí)信號(hào)基準(zhǔn)的輸出單元，實(shí)現(xiàn)代表北斗授時(shí)裝置定時(shí)時(shí)刻的1ppsST信號(hào)。

（11）監(jiān)控卡實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)的監(jiān)控，通過串口與每一個(gè)模塊連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊狀態(tài)的采集與監(jiān)控，同時(shí)也是授時(shí)裝置與上位機(jī)的唯一接口。

（12）數(shù)碼管板實(shí)現(xiàn)UTC時(shí)間的顯示。

（13）液晶板實(shí)現(xiàn)授時(shí)裝置關(guān)鍵狀態(tài)的顯示，同時(shí)可配合按鍵實(shí)現(xiàn)對(duì)一些關(guān)鍵設(shè)置項(xiàng)的操作。

（14）按鍵與指示燈板提供本地指令的設(shè)置和操作，同時(shí)對(duì)供電狀態(tài)、鎖定狀態(tài)、北斗狀態(tài)的指示。

（15）可配置槽位可根據(jù)用戶的具體需求進(jìn)行配置。

2.2 可配槽位的配置方法

4個(gè)可配置的板卡槽位，采用通用總線架構(gòu)，可按照用戶的具體應(yīng)用需求進(jìn)行配置。

（1）授時(shí)裝置共具有4個(gè)配置槽位，配置項(xiàng)包括5鐘板卡：10MHz卡、1pps卡、B碼卡、NTP卡、PTP卡。

（2）同一種板卡最多可以配置4張，而不配置任何其他類型的板卡。例如，A用戶需要大量的1pps信號(hào)，而不需要?jiǎng)e的信號(hào)，則A用戶可以選擇配置1～4張1pps卡，以滿足應(yīng)用需求。

（3）可按照具體需求配置兩種或三種不同的板卡，而其中某種板卡可以配置多張。例如，B用戶需要較多的1pps信號(hào)和更多的B碼信號(hào)，則B用戶可以選擇配置2張1pps卡，2張B碼卡。

（4）每種板卡可以各配置一張，從而形成北斗授時(shí)裝備的標(biāo)準(zhǔn)配置。例如，C用戶每種信號(hào)都需要，則C用戶可以采用標(biāo)準(zhǔn)配置，即10MHz卡、B碼卡、NTP卡、PTP卡各配置一張，形成北斗授時(shí)裝置的標(biāo)準(zhǔn)型配置。

總之，可以根據(jù)具體應(yīng)用需求，配置合適的輸出板卡組合，最大限度的滿足用戶需求，提高了授時(shí)裝置的靈活性和可用性。

2.3 授時(shí)信號(hào)的校準(zhǔn)方法

授時(shí)信號(hào)校準(zhǔn)指的是利用測(cè)量儀器對(duì)授時(shí)裝置輸出的定時(shí)信號(hào)與UTC的偏差進(jìn)行測(cè)量與修正的過程，主要包括授時(shí)裝置零值的校準(zhǔn)、時(shí)碼信號(hào)的時(shí)延測(cè)量與校準(zhǔn)。

（1）授時(shí)裝置零值的校準(zhǔn)需要在UTC中心利用儀器測(cè)量授時(shí)裝置輸出的1ppsST與UTC中心1ppsUTC的時(shí)差（見圖1），并在授時(shí)裝置中對(duì)這一時(shí)延值進(jìn)行扣除。

（2）時(shí)碼信號(hào)的時(shí)延測(cè)量與校準(zhǔn)，需要測(cè)量10MHz卡、1pps卡、B碼卡、NTP卡、PTP卡所輸出的時(shí)碼信號(hào)與1ppsST的時(shí)差，并在授時(shí)裝置中對(duì)這一時(shí)延值進(jìn)行扣除。其中，10MHz信號(hào)與1ppsST的相位偏差可利用示波器進(jìn)行測(cè)量；1pps信號(hào)與1ppsST的時(shí)差可利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器進(jìn)行測(cè)量；B碼與1ppsST的相位偏差可以利用示波器進(jìn)行測(cè)量；NTP/PTP信號(hào)與1ppsST的相位偏差可利用網(wǎng)絡(luò)信號(hào)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量。

3 驗(yàn)證與分析

基于3臺(tái)所設(shè)計(jì)的高可用北斗授時(shí)裝置，開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：

第一步，在UTC中心對(duì)1號(hào)～3號(hào)三臺(tái)北斗授時(shí)裝置的零值進(jìn)行標(biāo)定，利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)量授時(shí)裝置輸出的1ppsST信號(hào)與UTC中心的1ppsUTC信號(hào)的時(shí)差，計(jì)算得到授時(shí)裝置的零值測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 零值測(cè)量結(jié)果

由表1可見，三臺(tái)授時(shí)裝置零值的相對(duì)偏差峰峰值為6.6ns，說明同型號(hào)同批次的三臺(tái)設(shè)備零值一致性較好，零值較為接近。

第二步，將1號(hào)～3號(hào)三臺(tái)授時(shí)裝置配置為2張1pps卡，2張B碼卡，測(cè)量輸出信號(hào)與1ppsST的定時(shí)時(shí)刻偏差，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 時(shí)碼信號(hào)時(shí)延偏差測(cè)量結(jié)果

由表2可見，1pps信號(hào)的偏差峰峰值在0.3ns以內(nèi)，三臺(tái)授時(shí)裝置的1pps授時(shí)一致性較高；B碼信號(hào)的偏差峰峰值在2ns以內(nèi)，相對(duì)于B碼信號(hào)微秒量級(jí)的授時(shí)精度，2ns的偏差是滿足要求的。

第三步，將1號(hào)～3號(hào)三臺(tái)授時(shí)裝置配置為2張PTP卡，2張NTP卡，利用TimeACC儀器測(cè)量網(wǎng)絡(luò)授時(shí)信號(hào)相對(duì)于1ppsST的精度[12]，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)信號(hào)時(shí)延偏差測(cè)量結(jié)果

由表3可見，PTP信號(hào)的偏差峰峰值在5ns以內(nèi)，相對(duì)于PTP信號(hào)幾百納秒量級(jí)的授時(shí)精度，5ns的偏差是滿足要求的；NTP信號(hào)的偏差峰峰值在0.5ms以內(nèi)，相對(duì)于NTP信號(hào)微秒量級(jí)的授時(shí)精度，0.5ms的偏差是滿足要求的。

4 結(jié)束語

根據(jù)所提出的北斗授時(shí)鏈路時(shí)延模型，在分析北斗授時(shí)相關(guān)基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制了一種輸出信號(hào)類型可按照用戶需求進(jìn)行配置的高可用北斗授時(shí)裝置，并基于三臺(tái)北斗授時(shí)裝置開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：研制的北斗授時(shí)裝置可通過接收北斗導(dǎo)航信號(hào)實(shí)現(xiàn)高精度的10MHz、1pps、B碼、NTP、PTP等多種體制的授時(shí)服務(wù)，其靈活的可配置設(shè)計(jì)極大的提高了該裝置滿足不同用戶需求的能力，具有較好的工程應(yīng)用與推廣價(jià)值。