一種基于北斗授時的B碼終端設計與實現

戴群雄，霍海強，賈杰峰

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2．衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

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一種基于北斗授時的B碼終端設計與實現

戴群雄1，2，霍海強1，2，賈杰峰1，2

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2．衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室，河北 石家莊 050081)

摘要針對眾多領域的用戶在組建時頻網絡時對高精度時間同步的需求，以從北斗衛星導航信號中解算的時間信息和授時秒脈沖為基準，基于B碼編碼原理，設計實現了一種高精度B碼授時終端。通過實驗驗證，結果表明設計輸出的直流B碼具有優于100 ns的同步授時精度，交流B碼具有微秒級的同步授時精度，能作為一個穩定的B碼時間源，為用戶提供高精度的B碼授時服務。

關鍵詞B碼；授時終端；同步；時間源

0引言

隨著科學技術的快速發展，對精密時間及時間的準確度要求越來越高。近年來，北斗衛星導航系統迅速崛起，基于北斗授時的時間統一系統(以下簡稱北斗授時時統)也應運而生，北斗授時時統相關產業和方向的研究也逐步成為熱點，從而使得對時間的準確度和精度的應用提升到了一個新的高度。

北斗授時時統中，利用所接收導航信號解算的高精度時間信息綜合實現NTP、B碼、PTP和串口等的高精度授時服務。B碼是其中一種應用最為廣泛的專用時間碼，其特點是速率適中、編碼信息量豐富、通用規范及使用靈活方便[1]。基于北斗授時的B碼終端在靶場測量、控制、計算、通信、氣象和電力等領域得到了越來越廣泛的應用。

本文從交/直流B碼組成和同步產生原理出發，設計了一種能夠溯源到北斗系統時間的B碼授時終端，并對其B碼授時精度進行了實驗驗證，結合測試結果，對其輸出交流B碼和直流B碼授時精度進行了分析。

1B碼組成與原理

B碼是一種國際通用的靶場測量與時間統一系統專用時間碼，主要用于保持被控對象與測量系統時間的高度統一，并提供高精度的時間信號[2]。

目前，國內通用的B碼格式分2個版本，即GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規范》規定的97版B碼和GJB 2991-2008《B時間碼接口終端通用規范》規定的2008版B碼。

B碼的時間信息采用BCD碼編碼表示，其編碼格式可參考GJB 2991-1997《B時間碼接口終端通用規范》中B格式時間碼圖[3]。B碼的時幀速率為1幀/s，1幀包含100個脈沖(碼元)，碼元周期為10 ms。每個碼元序號由索引計數所確定，索引計數由準時點起，從0～99。碼元脈寬分為5 ms、2 ms和8 ms，2 ms表征二進制“0”，5 ms表征二進制“1”，8 ms表征位置識別標志“P”[4]。幀格式中，Pr為幀參考點，其寬度為8 ms。每10個碼元有一個位置識別標志：P1，P2，P3，…，P9，P0，它們均為8 ms寬度。一個時間格式幀從幀參考標志開始，連續2個8 ms寬脈沖表明時幀中秒的開始，從第2個8 ms開始對碼元進行編碼，分別為第0，1，2，…，99個碼元[5]。97版B碼其時間編碼信息包含秒、分、時和天，如表1所示。

表1　97版B碼時間編碼

2008版B碼相對于97版B碼，增加了閏秒修正標志和年的編碼。其中，年的個位和十位的BCD編碼交替出現在索引計數的45～48位，閏秒標志用于控制B碼終端進行閏秒調整，閏秒標志碼元為索引計數為27、28所對應的2個碼元[6]。用戶在解調2008版B碼時間時，需要嚴格參照GJB 2991-2008《B時間碼接口終端通用規范》里關于閏秒的說明，即當B碼傳輸的時間需要向后閏秒調整時，閏秒標志編碼為01；當需要向前閏秒調整時，閏秒標志編碼為10。

2系統設計與實現

基于北斗授時的B碼終端主要由授時與時間信息提取模塊、直流(DC)碼生成模塊和交流(AC)碼生成模塊這3個模塊組成。其設計框圖如圖1所示。

圖1　系統設計框圖

2.1授時與時間信息提取模塊

授時與時間信息提取模塊主要由北斗授時模塊、中心處理模塊和高穩晶振3個模塊組成。其中，北斗授時模塊的主要功能是接收北斗衛星導航信號，經解調，輸出高精度的代表北斗時的授時1 PPS和TOD信息(含北斗時間以及授時狀態等信息)；中心處理模塊的主要功能：① 接收北斗授時模塊的TOD信息，提取年、月、日、時、分和秒時間信息，并將時間信息輸出給DC碼生成模塊[7]；② 根據北斗授時1 PPS和TOD信息，對高穩晶振進行馴服，校準其10 MHz信號；③ 根據校準后的10 MHz，綜合產生精度更高的系統10 MHz和1 PPS，提供頻率和同步參考；④ 產生B碼程控信息。

2.2DC碼生成模塊

DC碼生成模塊的主要功能是接收中心處理模塊輸出的時間信息、程控信息、10 MHz和1PPS，按照GJB 2991-1997或GJB 2991-2008B碼編碼格式，以10 MHz和1 PPS為參考，通過寄存器存儲表示相應二進制0、1和位置識別標志的值，為了使DC-B碼的幀頭與1 PPS同步，需要在檢測到1 PPS上升沿之后開始產生B碼，然后將產生的B碼與1 PPS進行同步處理，使得DC-B碼與1 PPS同步輸出[8]。DC-B碼生成原理如圖2所示。

圖2　DC-B碼生成原理

2.3AC碼生成模塊

AC碼生成模塊主要由數字調制器、DA轉換模塊和濾波模塊組成，其主要功能是以10 MHz和1 PPS為參考，采用1 kHz正弦波對DC-B碼進行幅度調制，綜合、同步輸出AC-B碼，AC-B碼的幅度和調制比可控。AC-B碼產生的技術原理：以輸入的DC-B碼為基礎，接收中心處理模塊給出的程控信息，控制數字調制器按照指定的幅度和調制比輸出對應的數控地址，通過數控地址線控制DA轉換模塊產生相應的模擬信號，最后經過濾波處理后得到相應幅度和調制比的AC-B碼。AC-B碼生成原理如圖3所示。

圖3　AC-B碼生成原理

由于AC-B碼是由1 kHz正弦波對DC-B碼進行幅度調制得到，二者的相位關系保持一致，調制關系如圖4所示。AC-B碼低幅到高幅的正弦信號的過零點(圖4中的A點)與DC-B碼的準時點嚴格保持一致。圖4中，N代表調制比，NX代表幅度。

圖4　AC-B碼與DC-B碼調制關系示意

3實驗驗證與分析

B碼高精度授時能解決靶場測量、通信等行業應用中的時間同步問題。B碼授時一般采用主從結構，B碼授時終端為主機，位于各個用戶端的解碼終端為從機。主機輸出B碼，并分發給各用戶端；用戶端按照B碼幀結構進行解碼，可以恢復出時間，從而實現B碼授時。為了驗證基于北斗授時的B碼終端其B碼授時性能，按照圖5所示框圖搭建驗證平臺。

圖5　B碼終端授時性能驗證原理

圖5中，1PPS是北斗授時1PPS對高穩晶振進行馴服之后輸出的1PPS，其保持了真實北斗授時1PPS的長穩特性和高穩晶振好的短穩特性，以其作為同步參考來驗證DC-B碼和AC-B碼的授時性能。示波器采集到的DC-B碼和AC-B碼與1PPS的整體相位關系如圖6所示，提高示波器分辨率后，采集到DC-B碼與1PPS的相位關系圖以及AC-B碼與1PPS的相位關系如圖7和圖8所示。

圖6　DC-B碼和AC-B碼與1PPS的整體相位關系

圖7　DC-B碼與1PPS的相位關系

圖8　AC-B碼與1PPS的相位關系

圖7中，DC-B碼幀頭與1PPS同步誤差為84 ns，控制在100 ns以內，由于B碼產生的頻率參考為10 MHz，其周期為100 ns，故同步精度理論上會控制在100 ns以內。如果需要使輸出B碼達到更高的同步精度，可以采用10 MHz倍頻法來實現。DC-B碼采用脈寬調制的方式產生，由于脈沖信號的頻譜豐富，不易于長距離傳輸。因此，只適用于用電纜傳輸至近距離的用戶[9]。

圖8中，AC-B碼幀頭與1PPS同步誤差為800 ns，控制在1 μs以內。AC-B碼的幅度和調制比可以進行調整，以滿足用戶的不同需求，同時AC-B碼相比DC-B碼具有較強的長距離傳輸能力，為距離較遠的分布式用戶提供了實現遠程組網時間同步的可行手段，具有很好的工程應用價值[10]。

4結束語

隨著北斗衛星導航系統的不斷完善，北斗授時能力會不斷提升，同時隨著各類授時手段的不斷豐富，基于北斗系統的授時應用會逐步得到擴展。本文結合高精度北斗授時原理和B碼產生原理，設計了一種基于北斗授時的B碼終端，其在溯源到北斗系統時間的基礎上，同步輸出DC-B碼和AC-B碼，可作為北斗授時的一種典型應用，裝備于衛星地面應用系統、通信與指揮系統、智能景區等多個領域，為各行業用戶提供高精度授時服務。

參考文獻

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戴群雄男，(1983—)，碩士，工程師。主要研究方向：時間頻率技術。

霍海強男，(1986—)，碩士，工程師。主要研究方向：時間頻率技術。

引用格式：戴群雄,霍海強,賈杰峰.一種基于北斗授時的B碼終端設計與實現[J].無線電工程,2016,46(1):53-56.

Design and Implementation of a B-code Terminal Based on

Beidou Timing Service

DAI Qun-xiong1,2,HUO Hai-qiang1,2,JIA Jie-feng1,2

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn view of the requirements of users in multiple domains for high-precision time synchronization in time and frequency network constitution,using timing information and timing second pulse as a reference,a kind of high-precision B-code timing terminal is designed based on B-code coding principle.The experiment results show that the synchronous timing precision of B code(DC)of this terminal is better than 100 ns,and that of B code(AC)is of millisecond level,so this terminal can serve as a stable B-code source,providing users with high-precision B code timing service.

Key wordsB code;timing service terminal;synchronization;B-code source

作者簡介

基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2012AA121801；2015AA124001)。

收稿日期：2015-10-13

中圖分類號TN965.3

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)01-0053-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.01.13