時間統一系統設備典型質量問題分析與研究

張小龍

摘要：該文針對XHTF330時統設備出廠調試過程中，出現的北斗授時異常與產生器超容差故障進行分析研究，針對兩個典型故障從時間統一系統設備兩個模塊的系統組成及其工作原理入手，詳細闡述了兩個典型故障的定位過程，依據兩個模塊的結構組成及工作原理，通過建立典型案例故障樹，對故障現象及原因進行深入剖析，通過進一步的故障機理分析得出科學有效的故障解決方案，為時間統一系統出所裝船解決了質量問題，為后續執行任務提供了穩定保障，同時對其他模塊相關故障處置也具有一定的借鑒參考意義。

關鍵詞：時統設備;質量問題;GPS＼BD模塊

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）26-0209-03

1 背景

XHTF330型時統設備是測量船使用的新一代小型化時統，能夠為航天任務各測控設備提供標準的時間和頻率信號。該設備在研制測試過程中，測試人員發現XHTF330時統設備告警單元出現多次告警顯示，通過查看告警顯示內容，發現北斗授時異常并伴隨產生器超容差報警，為了探究故障發生原因，本文針對這兩種典型故障進行了分析研究，并提出相應的故障解決措施。

2 XHTF330型時統簡介

XHTF330型時統設備采用雙冗余模塊化設計，能同時接收GPS/北斗/外同步PPS+TOD定時信號，具有IRIG-B碼、頻率輸出和網絡授時功能，可為各測控設備提供標準B（DC）時碼信號和10MHz頻率信號，實現系統時間和頻率的統一。該系統主要由定時接收模塊，時碼產生模塊（含馴服晶振或馴服銣鐘），兩個電源模塊，以及（10MHz、5MHz、1MHz）頻標模塊、控制模塊、（B（AC）、B（DC））時碼產生模塊、NTP模塊和監控模塊等部分組成，其工作原理如圖1所示。

GPS＼BD模塊能夠同時接收時間信息，送到其他模塊用于同步，其戰技指標如表1所示，產生器模塊利用XHTF330型時統中的定時接收模塊的參考秒馴服本模塊內部的頻率源，當GPS＼BD模塊與產生器超容差出現故障，會導致該系統不能準確授時，影響其他系統的正常工作。

3 GPS＼BD模塊長時間定位異常不能自恢復

3.1 模塊組成及原理

GPS＼BD模塊由GPS＼BD OEM板（ublox），微處理器（W77E58），CAN總線控制器（SJA1000），CAN總線收發器（SN65HVD230），電平轉換電路以及電源等（如圖2）功能部件組成。

3.2 問題定位

根據上述故障現象，分析如圖3所示。

1）外界電磁干擾

通過查詢相關技術資料，模塊在設計時考慮了電磁兼容問題，且本身具備一定的抗干擾能力，另外我們對天線增加屏蔽罩，故障現象未曾消失，排除電磁干擾問題。

2）檢查天饋系統

通過更換備品備件，發現天饋系統工作正常，因此排除天饋系統問題。

3）檢查模塊射頻處理部分

運用模擬器發送單載波，使用頻譜儀可以看出模塊在射頻、中頻部分正常，排除模塊射頻、中頻部分異常。

4）檢查模塊接口算法

通過分析模塊異常時記錄的數據，可以發現模塊輸出的數據不完全重復，時間信息仍在延續，排除模塊接口算法問題。

3.3 機理分析

當GPS＼BD模塊搜索到某個衛星信號之后，相應的接收通道就從捕獲階段進入跟蹤階段;當模塊的鎖定檢測器判定總環路對信號失鎖后，接收通道又需要從跟蹤階段返回捕獲階段。

3.4 解決措施

故障確定后，廠家對基帶算法進行了調整，升級了軟件版本，確保當模塊長時間無法正常收星定位時，對模塊通道進行釋放，從而避免模塊的衛星接收通道飽和，同時更換天線安裝位置和更換更高性能天線來提高模塊收星質量。在以上措施完成后，該模塊定位收星正常，此時該故障得到解決。

4 產生器超容差故障

4.1 產生器組成及原理

時碼產生器主要由馴服頻標、時差測量、移相同步、時碼產生、顯示按鍵等部分組成（如圖5），能夠利用XHTF330系統中GPS模塊、北斗模塊或者外同步模塊的參考秒馴服本模塊內部頻率源，同時獲得當前時間信息。

在進行產生器時差測量時，產生器通過接收GPS、北斗、外同步秒，通過優先級選擇其中1個作為參考秒，并將該參考秒與產生器秒進行時差測量，得到產生器時差以及外部輸入信號的穩定性能（如圖6）。

控制器以ARM9處理器為核心，結合超大規模集成電路FPGA以及嵌入式程序設計共同完成對XHTF330時統設備的參考源信號、兩個時碼產生模塊的1pps、B（DC）碼、10MHZ頻率信號，兩個時碼產生模塊1pps與參考源之間的時差、兩個產生器的時間信息，以及其他模塊的信息監控。在進行時差測量時，控制器接收GPS、北斗、外同步秒、產生器秒1、產生器秒2，通過優先級選擇，在GPS、北斗、外同步秒中選擇1個作為參考秒，并用該參考秒與產生器秒1和產生器秒2進行時差測量，得到控制器時差，從而判斷產生器產生的秒信號是否正確（如圖7）。

4.2 問題定位

XHTF330時統設備采用了冗余設計，該設備的產生器以及控制器上均設計了時差測量單元，在設備出現超容差故障告警時，觀察其告警顯示單元發現只有控制器出現告警，而產生器并未出現告警，利用示波器測量其產生器實際時差，時差并未發生突變，從而定位此次設備超容差告警故障單元為控制器時差測量單元。在確定故障單元的基礎上，通過查閱各類技術手冊，對故障進行了詳細分析，利用示波器等儀器對輸入控制器的GPS、北斗、外同步秒、產生器1秒、產生器2秒等信號進行波形測量，通過觀察其波形圖，不難發現，產生器1秒、產生器2秒波形上存在明顯的毛刺信號，而GPS、北斗、外同步秒波形則不存在這種現象，由于在設計初期，未考慮控制器要對輸入信號進行過濾，因此該毛刺信號在通過控制器時未過濾掉，在進行時差測量時，控制器將產生器秒信號和毛刺信號同時進行時差測量并進行顯示，導致了控制器時差測量出現超容差現象。

4.3 機理分析

在FPGA的設計中，毛刺現象是影響數字系統設計有效性和可靠性的主要因素。這些毛刺會被“保留”傳遞下一級，從而影響設備功能正常運行。而此次超容差故障是由于XHTF330時統設備在接上擴展機箱后，由于信號傳輸路徑增長以及阻抗不匹配等問題，導致信號在通過產生器時，產生器秒1、秒2信號上疊加了毛刺信號，進行時差測量時，控制器未過濾掉毛刺信號而直接進行時差測量，從而影響了測量結果準確性。

4.4 解決措施

通過故障分析與定位，可以確定造成此次超容差故障是由于毛刺現象產生導致控制器在進行時差測量時未過濾掉而導致的，在經過所有人員溝通交流后，一致決定修改控制器中的FPGA代碼，使其在進行時差測量時首先對通過的信號進行濾波，過濾掉毛刺信號。在修改結束后，經過長時間試驗，沒有再出現超容差故障現象。

5 結束語

通過對GPS＼BD模塊故障原因進行分析、定位，得出此類故障內在原因是該設備基帶算法軟件存在設計缺陷。針對此次問題，我們將模塊接口軟件及基帶處理軟件進行了全面梳理，對軟件進行軟件流程及BUG排查，未發現類似問題。針對產生器超容差故障，通過修改控制器FPGA代碼有效解決了XHTF330時統設備故障，后期可通過舉一反三進一步加深對FPGA代碼的理解掌握，為類似故障打下堅實基礎。本文通過對XHTF330時統設備研制測試中遇到的兩類典型故障分析研究，提出了切實可行的故障解決方案，并在實際工程運用中得到有效驗證，為設備出所裝船消除了技術隱患，進一步提高了XHTF330時統設備安全穩定性，為后續測量船出海執行任務打下堅實基礎。

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【通聯編輯：謝媛媛】