測試場時統設備誤差分析及處理技術

胡曉鳴,何占雄

摘 ?要： 針對測試場對試驗控制信息、時間信息和準頻率信息要求較高的特點，設計了基于GPS授時的時間統一系統。在簡要介紹時統設備組成的基礎上，對影響系統的誤差因素進行了分析，著重從調制解調方面討論了B碼終端誤差，從系統同步和失步方面討論了守時誤差；提出了從增強B碼解調器適應能力、時統守時精度、取樣信號時刻精度三個方面減小時統誤差的處理措施，指出系統設計中通過合理進行誤差分配，控制顯著誤差，可實現系統的技術性能和經濟性能的統一。

關鍵詞： 時統設備； GPS授時； IRIG?B碼； 守時誤差

中圖分類號： TN06?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0107?03

Error analysis and processing technique of time synchronization equipment in test range

HU Xiao?ming， HE Zhan?xiong

（Aerospace Life?support Industries Co.， Ltd.， Xiangyang 441003， China）

Abstract： According to the characteristic that the test range has serious requirements for experiment control information， time information and frequency information， a GPS?based time synchronization system is proposed. The composition of the time synchronization system is introduced. The equipment error factors are analyzed. The terminal error of B code is discussed in modulation and demodulation emphatically. The timing error is discussed focusing on system synchronization and out?of?synchronization. A measure to mitigate time synchronization error by improving the adaptability of B code demodulator， time synchronization accuracy and sampling signal time precision is proposed. It is pointed out that a well?balanced tradeoff between technical performance and economic affordability can be realized with rational distribution of error and control of notable error.

Keyword： time synchronization equipment； GPS timing； IRIG?B code； timing error

測試場時統設備是試驗靶場的重要保障系統，用來為各種被試設備和參試設備提供統一的時間基準，保證各種測試設備高精度同步運行。受測試靶場應用需求的影響，對時統設備輸出的試驗過程控制信息、標準時間信息和標準頻率信息信號質量要求較高，為了達到相應的技術指標，需要對時統設備的誤差來源和影響進行分析，從而采取可行的、有針對性的處理措施，實現系統的技術性能和經濟性能的統一。

1 ?測試場時統設備組成

測試場時統設備是基于GPS授時的時間統一系統，基本組成[1]見圖1。系統主要包括時統設備、監控設備和用戶接口處理設備，時統設備主要有銣原子頻標組、GPS定時接收機、時碼信號產生器和頻率信號分路器組成，用來為用戶設備提供多種時間信息和頻率信息；監控設備主要由計算機和接口單元組成，用來實時監控時統設備和用戶接口處理設備的工作狀態；用戶接口處理設備主要由時碼接收卡和終端控制卡組成，用來產生用戶設備的控制信號和時間信號。

<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼28t1.tif>；

圖1 測試場時統設備基本組成

GPS授時是一種高精度的定時校頻方法，其輸出采用標準時間IRIG?B碼作為時統設備與用戶設備之間接口的時間信號標準。時碼接收卡從標準的時間碼中解調出需要的時間信息和頻率信息，并送至終端控制卡，從而實現所有的任務設備都同步于標準時間碼。因此，GPS的時間信息精度、GPS定時接收機獲取的時間精度、時碼信號產生器的精度、時碼接收終端卡的設計等因素均會對定時精度產生影響。所以，只有對影響測試場時統設備的誤差進行分析，才能更有針對性地采取相應措施，避免出現時間同步誤差超差等問題。

2 ?誤差分析

測試場時間誤差是時統設備最關鍵的技術指標之一，時間誤差主要來自GPS定時誤差、B碼終端誤差和自守時誤差。GPS定時誤差主要包括衛星星載鐘的誤差、星歷誤差、相對論效應引入的誤差、信號傳播引起的誤差、接收機引入的誤差等[2]。 一般情況下，對C/A碼接收計算得到的時間信息與GPS時間信息誤差為100～300 ns，對P碼接收計算得到的時間信息與GPS時間信息誤差為50～100 ns。相對于B碼終端誤差和自守時誤差，用戶參與處理GPS定時誤差的能力較弱，因此主要對B碼終端誤差和自守時誤差進行分析。

2.1 ?B碼終端誤差

鑒于用戶數量較多，時統設備不再為每個用戶單獨提供所需要的頻率信號和時間信號，而是輸出標準的B（AC）時間碼信號給所有用戶；用戶設備通過時碼接收卡解調B（AC）時間碼信號來獲得時間和頻率信息，因此時碼終端是實現時間統一的重要環節。

如果不考慮時間信息源的誤差，B（AC）碼的誤差主要來自調制解調誤差和傳輸的不確定延時。B（AC）碼調制原理見圖2。1 kHz正弦信號經過不同幅度的放大后，利用B（DC）碼作為開關控制信號，形成B（AC）碼調制碼[3]。開關電路的延時為B（AC）碼調制誤差，約80 ns。

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圖2 B（AC）碼調制原理

B（AC）碼解調原理見圖3。首先將交流碼變為直流碼，再利用過零電路檢測出的過零信息獲得秒脈沖精準點[4]，因此過零電路的檢測精度決定了B（AC）碼的解調誤差精度，約為0.2 μs。當系統產生的B（AC）碼需要遠距離傳輸時，路徑傳輸時延也成為時間同步誤差的主要來源。假設時碼產生器與時碼接收卡之間距離為10 km，那么傳輸延遲將達到34 μs。此外，遠距離傳輸將導致波形產生畸變，使信號的過零點產生漂移，過零點漂移造成1 PPS脈沖前沿產生漂移，誤差也將增加。

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圖3 B（AC）碼解調原理

綜上所述，受信道傳輸或其他條件的影響，輸入到B碼終端的B（AC）碼或多或少會發生畸變，解調輸出的時間信息同步誤差一般會在10 μs左右，設計時必須對該誤差進行修正。

2.2 ?時統設備守時誤差

以上是基于系統能夠正確接收和解調1 PPS脈沖的情況下進行的誤差分析，當系統不能正確接收或解調1 PPS時，時統設備將采用內部的銣原子頻標組進行計時同步，此時銣原子頻標的性能決定了時統設備的自守時誤差。

時統設備1 PPS脈沖通過銣原子頻標分頻得到，頻標精度和穩定度是影響守時精度的關鍵因素。下面對這種影響進行分析。

銣原子頻標工作過程中準確度表達式為：

[A（t）=A0+D?t+A1（t）+A2（t）] （1）

式中：[A（t）]為頻率校準后[t]時刻的準確度；[A0]為[t=0]時刻頻標準確度；[D]為頻率標準老化率；[A1（t）]為頻率穩定度對準確度的影響；[A2（t）]為外部特性對準確度的影響。

由式（1）可見：[t=0]時表示頻標校頻剛結束，理論上其準確度與授時臺的準確度相同，即誤差為0；實際上受頻標自身影響，誤差不可能達到0，因此將校頻后的準確度設為[A0]。時統頻標受老化率的影響，輸出頻率會產生漂移。老化率一般是線性的，引起頻標準確度的變化正比于[D?t]，可見老化率越大，工作時間越長，準確度就越差。

銣原子頻標對時統設備守時的影響見式（2）：

[?t=t-ts=t0+0tA（t）dt] （2）

式中：[?t]為[t]時刻的時差；[t0]為[t=0]時刻的時差；[A（t）]為頻率校準后[t]時刻的準確度。

將式（1）代入式（2），得到式（3）：

[?t=t0+A0?t+0.5D?t2+A1（t）?t+A2（t）?t=t0+A0?t+0.5D?t2+?1（t）+?2（t）] （3）

式中：[?1（t）]為頻標穩定度對時差的影響；[?2（t）]為頻標外部特性對時差的影響。

由式（3）可見，影響時統守時精度的因素包括初始頻標準確度[A0，]頻標老化率[D，]頻標穩定度[?1（t）]和頻標外部特性[?2（t）。][A0]對時統造成的誤差隨時間呈線性增長，即守時時間越長，誤差就越大；[D]對時統造成的誤差隨時間呈平方關系，隨著守時時間的增長，其對誤差的影響越來越大。下面對時統同步和失步情況下的守時誤差進行分析。

（1） 同步情況下的時統誤差

同步情況下，系統能夠正常接收或解調出1 PPS，并每秒同步一次，將[t=1 s]代入式（2）可得：

[?t=t0+A] （4）

式中：[t0]為GPS同步定時誤差，約為300 ns。銣原子頻標準確度為[±5×10-11，]1 s的偏差為0.1 ns，因此同步情況下，時統每秒守時精度為300.1 ns。

（2） 失步情況下的時統誤差

失步情況下，系統不能夠正常接收或解調出1 PPS，就會造成時統誤差積累。此時守時誤差為：

[?t=t0+A?Tmax] （5）

假設銣原子頻標被同步一次后，系統就處于失步狀態，估算失步1 h之后的時統誤差。[t0]為GPS同步定時誤差，約為300 ns。銣原子頻標準確度為[±5×10-11，]1 h的偏差為360 ns，因此失步情況下，時統1 h的守時精度為660 ns。

3 ?處理措施

時統誤差為GPS定時誤差、B碼終端誤差和自守時誤差之和，減小時統誤差的關鍵是減小B碼終端誤差和自守時誤差。減小B碼終端誤差的方法是增強解調器的適應能力，提高時統自守時精度，這就要求必須采用高性能的頻率源；但是頻率源性能越高，其成本也就越高，因此在性能和經濟性方面需要綜合考慮。

（1） 增強B碼解調器適應能力

系統采用B（AC）碼作為時間信號接口標準，但是B（AC）碼經過長距離信道傳輸后，會產生波形失真和波形畸變，甚至誤碼。為適應長距離傳輸的需求，需要采用容錯、提高調制比、多通道采集等措施來增強解調器的適應能力，下面逐一說明。

容錯技術 ?為了克服波形失真、畸變帶來的影響，解調過程采用容錯技術，即8 ms寬的秒標志或位置標志對應1 kHz的高幅度正弦信號8個，5 ms寬的二進制“1”對應5個，2 ms寬的二進制“0”對應2個。在解調時為提高容錯能力，7、8、9按8處理，4、5、6按5處理，1、2、3按2處理。采用此措施后可大大提高解調適應能力。

提高調制比 ?將B（AC）碼轉換得到數字量，進行幅度平方運算，加大高幅度與低幅度的調制比，這樣更容易提取和判斷高幅度信號的個數，提高獲取正確時間的能力。

多通道采樣 ?把輸入的B（AC）碼信號分檔放大，根據幅度的高低，選擇不同的通道進行采集，拓寬解調器對B碼輸入范圍的適應能力。

（2） 提高時統守時精度

根據時統守時誤差分析，時統守時誤差在同步和失步情況下差別較大，頻率源性能越高，守時精度越高。頻率源的選取應保證系統在最嚴酷的條件下滿足時統的同步精度，下面舉例說明。

假設系統要求的同步精度為10 μs，任務時間為24 h，按照系統執行任務之前被GPS校頻修正，然后系統處于失步情況下估算，由式（5）可得頻標準確度[Aα]為：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可見，要保證24 h的任務時間，時統同步精度為10 μs，那么頻標應采用準確度為1×10-11的銣原子頻標。

如果系統的任務時間為10 min，時統同步精度要求仍為10 μs，那么頻標只要選用準確度優于1×10-8的晶振即可。在短期穩定度方面，晶振性能一般優于銣鐘；而對于長期穩定度來說，銣鐘要遠遠優于晶振。因此對于短時間的任務剖面，時統設備采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任務的前提下，相同的時統同步精度可以選用不同的頻標源來實現，從而達到了技術性能和經濟性能的統一。

（3） 提高取樣信號時刻精度

測試場對被測設備的運動軌跡、速度等狀態參數測量時，需要時統設備提供各種控制信號和事件信號，這些取樣信號要求周期準確、均勻，并且與秒信號保持嚴格的同步。時刻精度的測量一般采用連續測試多個數據，然后用標準方差進行處理，處理方法為[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4 ?結 ?語

為了保證測試場時統設備技術性能和經濟性能的統一，系統設計中應合理進行誤差分配，控制顯著誤差。在保證時間同步精度的前提下，還要保證系統的可靠性，因此系統采用了頻率源的冗余設計措施。如果頻率源故障或精度達不到要求，系統會自動切換到熱備份的頻率源，大大提高了系統的可靠性。此外系統設計時還應保證監控設備具有良好的人機交互界面，提高設備可操作性，實現對時統設備的實時監控。

參考文獻

[1] 童寶潤.時間統一技術[M].北京：國防工業出版社，2003.

[2] 邱致和，王萬義.GPS原理與運用[M].北京：電子工業出版社，2002.

[3] 燕斌，趙飛.基于GPS授時的異地同步數據采集系統[J].電子科技，2008（12）：46?49.

[4] 聶浩.IRIG?B（AC）碼解調技術淺析[J].飛行器測控技術，1997（1）：1?5.

[5] 黃學德.導彈測控系統[M].北京：國防工業出版社，2000.

[6] 孫永燦.頻標性能對時統守時的影響[J].科技信息，2013（13）：58?59.

容錯技術 ?為了克服波形失真、畸變帶來的影響，解調過程采用容錯技術，即8 ms寬的秒標志或位置標志對應1 kHz的高幅度正弦信號8個，5 ms寬的二進制“1”對應5個，2 ms寬的二進制“0”對應2個。在解調時為提高容錯能力，7、8、9按8處理，4、5、6按5處理，1、2、3按2處理。采用此措施后可大大提高解調適應能力。

提高調制比 ?將B（AC）碼轉換得到數字量，進行幅度平方運算，加大高幅度與低幅度的調制比，這樣更容易提取和判斷高幅度信號的個數，提高獲取正確時間的能力。

多通道采樣 ?把輸入的B（AC）碼信號分檔放大，根據幅度的高低，選擇不同的通道進行采集，拓寬解調器對B碼輸入范圍的適應能力。

（2） 提高時統守時精度

根據時統守時誤差分析，時統守時誤差在同步和失步情況下差別較大，頻率源性能越高，守時精度越高。頻率源的選取應保證系統在最嚴酷的條件下滿足時統的同步精度，下面舉例說明。

假設系統要求的同步精度為10 μs，任務時間為24 h，按照系統執行任務之前被GPS校頻修正，然后系統處于失步情況下估算，由式（5）可得頻標準確度[Aα]為：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可見，要保證24 h的任務時間，時統同步精度為10 μs，那么頻標應采用準確度為1×10-11的銣原子頻標。

如果系統的任務時間為10 min，時統同步精度要求仍為10 μs，那么頻標只要選用準確度優于1×10-8的晶振即可。在短期穩定度方面，晶振性能一般優于銣鐘；而對于長期穩定度來說，銣鐘要遠遠優于晶振。因此對于短時間的任務剖面，時統設備采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任務的前提下，相同的時統同步精度可以選用不同的頻標源來實現，從而達到了技術性能和經濟性能的統一。

（3） 提高取樣信號時刻精度

測試場對被測設備的運動軌跡、速度等狀態參數測量時，需要時統設備提供各種控制信號和事件信號，這些取樣信號要求周期準確、均勻，并且與秒信號保持嚴格的同步。時刻精度的測量一般采用連續測試多個數據，然后用標準方差進行處理，處理方法為[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4 ?結 ?語

為了保證測試場時統設備技術性能和經濟性能的統一，系統設計中應合理進行誤差分配，控制顯著誤差。在保證時間同步精度的前提下，還要保證系統的可靠性，因此系統采用了頻率源的冗余設計措施。如果頻率源故障或精度達不到要求，系統會自動切換到熱備份的頻率源，大大提高了系統的可靠性。此外系統設計時還應保證監控設備具有良好的人機交互界面，提高設備可操作性，實現對時統設備的實時監控。

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[6] 孫永燦.頻標性能對時統守時的影響[J].科技信息，2013（13）：58?59.

容錯技術 ?為了克服波形失真、畸變帶來的影響，解調過程采用容錯技術，即8 ms寬的秒標志或位置標志對應1 kHz的高幅度正弦信號8個，5 ms寬的二進制“1”對應5個，2 ms寬的二進制“0”對應2個。在解調時為提高容錯能力，7、8、9按8處理，4、5、6按5處理，1、2、3按2處理。采用此措施后可大大提高解調適應能力。

提高調制比 ?將B（AC）碼轉換得到數字量，進行幅度平方運算，加大高幅度與低幅度的調制比，這樣更容易提取和判斷高幅度信號的個數，提高獲取正確時間的能力。

多通道采樣 ?把輸入的B（AC）碼信號分檔放大，根據幅度的高低，選擇不同的通道進行采集，拓寬解調器對B碼輸入范圍的適應能力。

（2） 提高時統守時精度

根據時統守時誤差分析，時統守時誤差在同步和失步情況下差別較大，頻率源性能越高，守時精度越高。頻率源的選取應保證系統在最嚴酷的條件下滿足時統的同步精度，下面舉例說明。

假設系統要求的同步精度為10 μs，任務時間為24 h，按照系統執行任務之前被GPS校頻修正，然后系統處于失步情況下估算，由式（5）可得頻標準確度[Aα]為：

[Aα=10（24×3 600）=1.2×10-10]

由此可見，要保證24 h的任務時間，時統同步精度為10 μs，那么頻標應采用準確度為1×10-11的銣原子頻標。

如果系統的任務時間為10 min，時統同步精度要求仍為10 μs，那么頻標只要選用準確度優于1×10-8的晶振即可。在短期穩定度方面，晶振性能一般優于銣鐘；而對于長期穩定度來說，銣鐘要遠遠優于晶振。因此對于短時間的任務剖面，時統設備采用晶振也是可行的。

由以上分析可知：在完成任務的前提下，相同的時統同步精度可以選用不同的頻標源來實現，從而達到了技術性能和經濟性能的統一。

（3） 提高取樣信號時刻精度

測試場對被測設備的運動軌跡、速度等狀態參數測量時，需要時統設備提供各種控制信號和事件信號，這些取樣信號要求周期準確、均勻，并且與秒信號保持嚴格的同步。時刻精度的測量一般采用連續測試多個數據，然后用標準方差進行處理，處理方法為[5]：

[σ=i=1n（Pi-P）2（n-1）] （6）

式中[P=1ni=1nPi。]

4 ?結 ?語

為了保證測試場時統設備技術性能和經濟性能的統一，系統設計中應合理進行誤差分配，控制顯著誤差。在保證時間同步精度的前提下，還要保證系統的可靠性，因此系統采用了頻率源的冗余設計措施。如果頻率源故障或精度達不到要求，系統會自動切換到熱備份的頻率源，大大提高了系統的可靠性。此外系統設計時還應保證監控設備具有良好的人機交互界面，提高設備可操作性，實現對時統設備的實時監控。

參考文獻

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